A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
(2024 június)
ABSTRACT
A gömbvillám fizikáját az ívfény fizikájával magyarázzuk. Hasonló légköri jelenségek lehetnek a koronakisülés (parázsfény) és a sarki fény is. Az ívfény színét is ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. Szerencsés esetben a gömbvillám spektrumában mérhetőek az oxigén és a nitrogén vonalai. A nitrogén oxidok hő hatására jönnek létre. Villámlás -és légköri ívfény- során a nitrogén természetes módon oxidálódik, és jellegzetes szagú nitrogén oxidok jönnek létre, a tapasztalatoknak megfelelően. Az ívfény esetén a termikus ionizáció a jellemző, koronakisülés esetén a földfelszínhez kötött ütközéses ionizáció, de összességében semleges. Mind a kétféle ionizáció oka a plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapota, amit a gömbvillám stabilitási feltételének tekintünk. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor is nő az áramerősség, azaz az ionok száma, és az áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes ioncsatornák. Nehezen foltozhatóak, csak a nagysebességű kamerák felvételein észlelhetőek, nem a felhővillámok részei. Amikor elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter, ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A Földről induló, helyhez kötött ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják, így szennyezések is lehetségesek. A gömbvillámok forrásai a Földről induló ioncsatornák, a feltételezésünk szerint. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, kialakul az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, amit parázsfényként, koronakisülésként ismerünk. A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizáció-t okoznak. A folyamat önmagát gerjeszti, és létrejön a levegő negatív ellenállású állapota, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását. A csatorna néha függetlenné válik a külső feszültségtől, a földfelszíntől, és kialakul egy gömbvillám: egy olyan negatív ellenállású állapot, amit ekkor termikus emisszió jellemez. A plazma szabadon lebeg.
Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió, ami a felfújódó gömb alak oka. A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén rekombinálódnak az ionok. A kutatás iránya olyan kísérlet, vagy olyan lehetséges megfigyelés, azaz a spektrum mérése, amellyel igazolható az elmélet. // DESCRIPTION OF THE BALL LIGHTNING: We explain the physics of a ball lightning with the physics of arc light. Similar atmospheric phenomena may be the corona discharge and the aurora borealis. The colour of arc light is also caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. In the lucky case, the lines of oxygen and nitrogen can be measured in the spectrum of the ball lightning. Nitrogen oxides are formed by heat, during lightning - and atmospheric arc-light - nitrogen is naturally oxidised to form nitrogen oxides with a characteristic odour, as observed. Thermal ionisation is typical of arc-light, and in the case of corona discharge, collision ionisation is typical of ground-ground ionisation. Both types of ionisation are caused by the negative resistivity (dynamic resistance, which does not exist at zero voltage) state of the plasma, which is considered to be the stability condition of the spherical filament. In the negative-resistance state, the current, i.e. the number of ions, increases as the voltage decreases, and the current is limited only by the conservation laws.
The formation of the ball lightning: Stationary ion channels from the Earth are difficult to spot, can only be detected in high-speed camera images, and are not part of cloud lightning. When atmospheric electric potential is tens of thousands of volts per centimetre, they ionise oxygen and nitrogen in the air. Stationary ion channels from the Earth are made up of ionised oxygen and nitrogen atoms. The source of the ball lightning is thought to be these ion channels from the Earth. If the atmospheric tension is sufficiently high, and if a sufficient number of ions are created, a negative-resistance state of the ion channel is formed, known as a glowing ember, or corona discharge. In corona discharge, the electron avalanches cause collisional ionisation. The process is self-excited and a negative resistive state is created, which increases the intensity of the electron avalanches even at decreasing voltages: the channel sometimes becomes independent of the external voltage, the ground surface, and a ball lightning is formed: a negative resistive state, then characterised by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the particles, allowing the plasma to float freely.
The negative resistance phenomenon of arc light is the explanation for the stability of the spherical lightning. Thermal emission is most intense in the centre of the sphere, which is the cause of the inflating spherical shape. The surface has a lower temperature, is characterised by glowing embers, and the ions recombine at the rim. The direction of the research is an experiment or a possible observation, i.e. a measurement of the spectrum, to verify the theory.
BEVEZETÉS
A kutatás eszköze az internetes keresés volt, egy szép kis demo-videó: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE. A gömbvillámoknak a fizika sok témakörét lefedő, számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, nincs általánosan elfogadott leírása a gömbvillámoknak, egy légköri jelenség. A feltételezésünk szerint a levegő ionjai és elektronok alkotják a gömbvillámokat, a gázkisülések jelenségeivel leírhatóak.
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem gyakori jelenség, sok, de általánosan nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör- és a villámfizikára vonatkozóan ld.: R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands: Mai Fizika, 5. kötetet, (120. o. Műszaki Könyvkiadó, 1969. ETO 53 "19" (082)), ahol a "Légköri elektromosság" című fejezetben összefoglalták a szerzők a villámok fizikáját. Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter lehet, ami ionizálja az oxigént, nitrogént. Az irodalmi hipotézisekben tényleges különbség a töltött részecskék minőségében és az őket összetartó centrális erőterek eredetében van.
A koronakisülés egy hasonló, színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, az ionjainak forrása a természetben helyhez, a Föld felszínéhez, esetleg pl. árbócokhoz kötött. Jellemzői a parázsfény, az elektron lavinák, a negatív ellenállás. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges. A parázsfény esetén elektronlavinák okozzák az ionizációt, és a negatív ellenállás jelenségét is. A negatív ellenállás kis feszültségen nem fordul elő. A parázsfény (a gyújtási feszültségnél) nagyobb feszültségeknél ívfénnyé alakul laboratóriumi körülmények között. A parázsfény a természetben nagysebességű kamerák felvételein rögzíthető, hegyes fémtárgyak, esetleg árbócok csúcsain látható, nem gyakori jelenség.
GÁZKISÜLÉS LEVEGŐ ESETÉN
A levegő gyújtási feszültségénél kisebb feszültségen megjelenik a parázsfény, amit elektronlavinák jellemeznek. A levegő gyújtási feszültségénél nagyobb feszültségnél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, ami az ívfény jellemzője. A plazmában, meleg plazmának is nevezik, többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet,
Ahol egy kis feszültség csökkenéshez (- Δ U -hoz) pozitív Δ lg I áram tartozik, (az lg tízes alapú logaritmust jelöl) ott a karakterisztikának egy "negatív ellenállású" szakasza van. Az első negatív ellenállású szakasz az "átmeneti szakaszban" található, ahol az áramerősség nem nő korlátlanul, mert a magas hőmérsékletű pozitív ionok képzése energiaigényes folyamat. A gyújtófeszültséget megelőzi egy nehezen megmagyarázható pozitív ellenállású szakasz.
A második negatív ellenállású szakaszban a növekvő áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák. A gömbvillámok rövid idejű (≈ néhány 10 másodperc) stabilitását a második, negatív ellenállású szakasz magyarázza. A termikus ionizációval a rekombináció tart egyensúlyt. A negatív (differenciális vagy dinamikus) ellenállás plazmákban, félvezetőkben értelmezett jelenség, előfeszített terheléseknél fordul elő, azaz U ≈ 0 feszültségnél nem jön létre.
Az elektromos kisülés feszültség-áram összefüggése: az önfenntartó kisülést kezdetben elektron lavinák jellemzik. Kisebb feszültségnél fényemisszió nélkül (átmeneti szakasz, sötét kisülés), aztán parázsfényes kisülés következik, ütközéses elektron lavinákkal. A parázsfényhez növekedő árammal csökkenő feszültség, negatív ellenállás tartozik, a természetben egy ioncsatorna, ami még nem gömbvillám. A folyamat a természetben légköri nyomáson történik.
A GÖMVILLÁM LEÍRÁSA
A forrásai a földfelületről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínéről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat. A csatornák nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció, gázkisülés a jellemzőik. Az ioncsatornát koronakisülés, (parázsfény, Szent Elmo tüze), elektronlavinák, és negatív ellenállás jellemzik (https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire,
hideg plazma).
Az ioncsatorna elegendően nagy légköri feszültségnél ívfénnyé alakul, melyet hasonlóan negatív ellenállás, de termikus elektronemisszió jellemez. Az ívfény esetén a csatorna a Föld felszínétől elszakad, és néhány 10 másodpercre stabil jelenség jön létre, a megmaradási törvényeknek megfelelően. Magas (közel 10 000 Kelvin fokos) hőmérséklet, felfújódás, rekombináció és a felületén parázsfény jellemzi a gömbvillámot. A Földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású más helyekről induló ioncsatornák a forrásai a gömbvillámoknak. Megszakad az ioncsatorna kapcsolata a talajjal, az ionforrással, a lebegő gömbvillámhoz nem szükséges a továbbiakban a légköri feszültségkülönbség, ha a hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához. Felfújódó gömb alak és negatív ellenállás jellemző a gyújtásfeszültség felett, a felületen rekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
A gömb mérete, térfogata, nyomása, és az ionok száma lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében (egyensúlyi állapot). A nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó, de a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben is, a hőveszteség miatt. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék rekombinálódnak, és a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb. A hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának, melyek a felületéről visszaáramlanak, mert az ellenkező esetben nyomáskülönbség jönne létre. Kívülről az ívgömb semleges, az inonizációból következik, hogy az elektronok és az ionok száma kb. azonos (https://hu.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93H%C3%BCckel-elm%C3%A9let). Közelítőleg, mert az elektronok ötször mozgékonyabbak, a szabad úthosszal mérve.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció, a felületén a rekombináció a jellemző. A hőveszteség, a hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása a félsugárig, környékén maximumot mutathat annak függvényében, hogy a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák milyen távolságig jutnak be kívülről, a felületéről. A rekombinálódott levegőmolekulák az ívgömb belsejébe mozognak, az ellenkező irányú mozgásuk a atmoszferikus nyomást megváltoztatná. Ezért a nemkonvektív energiaveszteség jellemző, hanem a sugárzó veszteségek. A levegő rossz hővezető képessége miatt a konduktív veszteség is viszonylag kicsi.
A gömbvillámon belül az elektronok és a pozitív ionok szabad úthosszai a meghatározóak, az elektronoké kb. 5.5 -szörös. Az ütközések csökkentik az elektronok, ionok energiáját, az ütközésekből származó energiaveszteség lassítja a részecskék mozgását negatív ellenállás esetén is. (Az ionok mozgása szupravezetés -azaz zérus ellenállás- esetén is kutatás tárgya: https://www.popularmechanics.com/science/a62121695/edge-state-atoms-energy-transmission/)
*Irodalmi áttekintés (felsorolás): a gömbvillám nem ritka jelenség, sok -bár néha bizonytalan- megfigyelése publikált:
- Megfigyelések története: Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space. Sci., 12, 43–56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- https://www.eskimo.com/%7Ebillb/tesla/ballgtn.html,
- Koronakisűlés (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge): A koronakisülés (vagy csendes kisülés) az elektromos áram egy megjelenési formája, amely normál atmoszferikus nyomású gázokban jön létre, erős, inhomogén elektromos tér jelenlétében, ha a feszültséggradiens az elektromosan töltött felület egy pontján meghaladja a gáz ionizációjához szükséges, az adott konkrét körülmények között érvényes értéket, de nem haladja meg az átütési feszültséget (ez utóbbi esetben „hangos” kisülés: szikrázás vagy elektromos ív jön létre). A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik, ún. „hideg plazma” jön létre; a távolabbi gáz eredeti állapotában marad. Jellemző kísérőjelenség a halvány, derengő (a földi légkörben a polaritástól függő kékesfehér vagy pirosas színű, a leggyakrabban csak sötétben látható) fény és a sziszegő, halkan sercegő hang. (https://hu.wikipedia.org/wiki/Koronakis%C3%BCl%C3%A9s). Elektromos jellemzői a viszonylag nagy elektromos feszültség mellett kialakuló kis áramerősség, valamint a szikrázás hiánya, https://hu.wikipedia.org/wiki/Szent_Elmo_t%C3%BCze (ezzel szemben az elektromos szikra éles, vakító fénnyel és erős hanggal jár – lásd pl.: villám).
- Kapitza (Kapitza, P. L., Doklady, U.S.S.R. (1955) és https://www.nature.com/articles/185449a0) a gömbvillámokat elektromágneses állóhullámokkal írja le, egy vezető ionizált plazmagömb rezonanciájaként, amely akkor jön létre, amikor a sugárzás hullámhossza körülbelül négyszerese a tűzgömb átmérőjének. Az ionokat összetartó erőtér eredete Kapitza szerint elektromágneses állóhullám, amely átlagosan egy virtuális potenciálminimumot hoz létre. Kapitza ötletét nem fgadták el általánosan az elmúlt 70 évben, életére vonatkozóan ld. https://tudosnaptar.kfki.hu/k/a/kapica/kapica.html . A potenciálminimum számítására vonatkozóan ld, pl.: (Silberg, P.A. On the formation of ball lightning. Il Nuovo Cimento C4, 221–235 (1981), https://doi.org/10.1007/BF02507400és https://pubs.aip.org/aip/jap/article-abstract/32/1/30/162547/On-the-Question-of-Ball-Lightning?redirectedFrom=fulltext).
- Neugebauer Tibor (Fizikai Szemle, A gömbvillámelmélete / NeugebauerTibor = 25. évf. 1975. p. 49.) ismertet egy, a kicserélődési kölcsönhatáson alapuló kvantumelméleti elgondolást, nem lett általánosan elfogadott, és nehezen elérhető a dolgozat,
- szabálytalan pályán lebeg, ("matat"), forog, gurul,
- rombol, bár nem minden esetben,
- sokszor zivatarban fordul elő, de nem kizárólag, bár zivatarban gyakoribb,
- széllel szemben is mozoghat, sebessége 1-2 m/sec is lehet,
- térelválasztó elemeken lyukat éget, néha nyom nélkül átjut.
- a gömbvillámokat átlátszó, opálosan áttetsző homályos szélekkel írják le. Többszínű, egyenletesen világító, sugárzó lángok, szálak vagy szikrák formájában írták le, amelyek formája a gömb, ovális alakzat, könnycsepp, és ritkán korong között változik,
- hirtelen eltűnnek, fokozatosan szétoszlanak, vagy elnyelődnek egy tárgyban, "pukkanva", hangosan robbanva, akár erővel robbanva, ami komoly károkat okozhat. A beszámolók az emberre való állítólagos veszélyességükről is eltérnek, a halálos és az ártalmatlan között. Gyakran jelentenek ózonra, égő kénre vagy nitrogén-oxidokra emlékeztető szagokat.
- Átmérőjük 1-100 cm között mozog, leggyakrabban 10 cm körüli,
- A színek széles skáláját figyelték meg, a leggyakoribbak a vörös, a narancssárga és a sárga, ritkán kékes, általában opálos színű.
- Élettartama egy másodperctől több mint egy percig tart, és a fényerő ez idő alatt viszonylag állandó marad,
- a megfigyelők ritkán számolnak be hőérzetről, de megéget minden érintett tárgyat, amivel érintkezik. Néhány esetben a gömb eltűnését erős hő felszabadulása kísérte.
- Egyes gömbök vonzódnak a fémtárgyakhoz, és vezetők mentén mozognak mint a drótok vagy fémkerítések.
- Egyesek épületeken belül jelennek meg előzmény nélkül, áthaladnak a zárt ajtókon és ablakokon, fém repülőgépeken belül is megjelentek, és anélkül léptek be és távoztak, hogy kárt tettek volna bennük.
- Lehetséges spektruma: szilikon, kalcium, vas, nitrogén, oxigén emisszió vonalakat figyeltek meg egy kínai spektrum mérésben nagy távolságból, valószínűleg a talajba csapott villám szennyezései.