Die einfachste Erklärung für Kugelblitze: Die Oberflächenspannung hält die Kugel zusammen
(Febr., 2026)
Bereits 1904 behauptete Nikola Tesla, bei seinen Hochspannungsexperimenten versehentlich Feuerbälle erzeugt zu haben. Später experimentierte James Tuck, ein ehemaliger Physiker des Manhattan-Projekts, mit U-Boot-Batterien, nachdem er gehört hatte, dass ähnliche Kugeln entstanden, wenn Seeleute die Batterieschalter schlossen. Diese enthielten jedoch Partikel von den Batteriepolen.
Die Mikrowellentheorie (Kapica-Modell): Laut dem sowjetischen Physiker Pjotr Kapica erzeugt ein Blitz Mikrowellenstrahlung, die als eine Art „atmosphärischer Meser“ (das Mikrowellenäquivalent eines Lasers, eine stehende Welle) wirkt. Diese Strahlung ionisiert die Luft und erzeugt so eine Plasmakugel. Diese Theorie würde erklären, warum das Phänomen häufiger im Freien auftritt und wie es in geschlossene Räume – wie Flugzeugkabinen – eindringen kann, ohne großen Schaden anzurichten, da seine Energie in geschlossenen Räumen begrenzt ist.
Das wahrscheinlichste Kapica-Modell, bei dem ein Metallhohlraum für hochenergetische elektromagnetische Stehwellen erforderlich ist (https://www.radartutorial.eu/08.transmitters/Magnetron.en.html), verwendet Hohlraumresonatoren, sogenannte Mikrowellenresonatoren. Diese sind von Metallwänden mit guter Leitfähigkeit begrenzt, um die Randbedingungen für die Komponenten des elektromagnetischen Feldes zu erfüllen und so die Ausbildung von Stehwellen zu ermöglichen. Die tangentiale (parallel zur Oberfläche verlaufende) elektrische Feldkomponente ist idealerweise null, da sie die Ladungen auf der Leiteroberfläche verschieben und einen Strom induzieren würde. Dies ergäbe in einem idealen Leiter eine unendlich hohe Stromdichte, sodass die elektrischen Feldlinien senkrecht zur Metallwand verlaufen. Auf der Oberfläche eines idealen Leiters ist die Normalkomponente der magnetischen Feldstärke null; das Magnetfeld wird durch die Oberflächenstromdichte bestimmt, und die Magnetfeldlinien verlaufen parallel zur Leiterwand. (Lindell, Ismo V.; Sihvola, Ari: Elektromagnetische Randbedingungen, definiert durch die Reflexionseigenschaften ebener Eigenwellen. Veröffentlicht in: Progress in Electromagnetics Research, B DOI: 10.2528/PIERB21082106)
Abrahamson-Theorie: John Abrahamson schlug im Jahr 2000 vor, dass beim Einschlag eines Blitzes in siliziumreichen Boden das Silizium verdampft. Der in die Luft gelangende Siliziumdampf reagiert mit Sauerstoff und bildet eine leuchtende, plasmaartige Kugel. Diese Theorie wird durch eine chinesische Beobachtung aus dem Jahr 2012 gestützt, bei der Forscher eine Spektralanalyse eines natürlichen Kugelblitzes durchführten und Elemente aus dem Boden (Silizium, Eisen, Kalzium) nachwiesen.
Neues Ergebnis: Staubige, verunreinigte Plasmen können sich, wenn mikroskopisch kleine Staubpartikel mit hoher Ladung in das Plasma eingebracht werden, in einer nahezu kristallinen Struktur anordnen oder sich wie eine Flüssigkeit verhalten. In diesem Fall entsteht eine Oberflächenspannung im klassischen Sinne. Es bildet sich eine Kugel mit einer Temperatur von vielen Tausend Kelvin, die unter Atmosphärendruck steht und sich auf den Umgebungsdruck ausdehnt. In verschmutzten, staubigen Plasmen nehmen die Staubpartikel eine negative Ladung an, und zwischen ihnen bildet sich ein sogenannter Coulomb-Kristall oder eine stark gekoppelte flüssige Phase. Die Physik der Oberflächenspannung dieses Zustands lässt sich im Wesentlichen durch drei Faktoren beschreiben:
a. Minimierung der potenziellen Energie: Ähnlich wie bei klassischen Flüssigkeiten entsteht die Oberflächenspannung in staubigen Plasmen durch das Bestreben, die potenzielle Energie zu minimieren. Die Wechselwirkung zwischen den Staubpartikeln wird üblicherweise durch das Yukawa-Potential (abgeschirmtes Coulomb-Potential) beschrieben, dessen Exponent von der Partikelladung, dem Abstand, der Permittivität und dem Kehrwert der Debye-Länge abhängt. Ein Partikel innerhalb der „Flüssigkeit“ wird von benachbarten Partikeln aus allen Richtungen abgestoßen, sodass sich die Kräfte im Gleichgewicht befinden. Auf Partikel an der Grenzfläche wirkt hingegen eine resultierende nach innen gerichtete Kraft, da keine äußere Kraft der Abstoßung der inneren Partikel entgegenwirkt. Die Asymmetrie zieht das System zusammen und erzeugt Spannung.
b. Die Rolle der Debye-Abschirmung: Die Oberflächenspannung eines Staubplasmas hängt von den Plasmaparametern ab. Da der Raum zwischen den Staubpartikeln mit Elektronen und Ionen gefüllt ist, schirmen diese die Ladung der Partikel ab. Ist die Abschirmung schwach (große Debye-Länge), können die Partikel einander aus größerer Entfernung „spüren“, was die Oberflächenenergie erhöht. Die Oberflächenspannung ist hier keine konstante Materialeigenschaft, sondern ändert sich rasch mit Änderungen des elektrischen Feldes.
c. Obwohl die Partikel die gleiche Ladung tragen (sich also abstoßen), verhindert die Oberflächenspannung eine Vergrößerung der Oberfläche, da mehr Energie benötigt würde, um die Abstoßungskräfte zwischen den Partikeln an den Rändern zu überwinden.
Wichtigste Forschungsergebnisse
- Laborexperimente: Mehrere Forschungsgruppen (z. B. an der Universität Innsbruck) haben versucht, Kugelblitze künstlich zu erzeugen, jedoch konnten nicht alle in der Natur beobachteten Eigenschaften (Levitation, lange Lebensdauer) reproduziert werden. Die Levitation ist darauf zurückzuführen, dass die Kugel aus Atmosphärendruckplasma besteht.
– Seit 2020 läuft ein internationales Projekt, in dem über 800 Augenzeugenberichte gesammelt und analysiert wurden, um genauere Statistiken zu erhalten.
- Spektralanalyse: Ein seltenes chinesisches Video hat Silizium, Eisen und Kalzium im Licht von Kugelblitzen nachgewiesen. Dies stützt die frühere Theorie, dass Oxide von Mineralien, die durch Blitzeinschläge in den Boden verdampft werden, in den Kugeln entstehen.
- Plasma verhält sich sowohl wie ein Gas als auch wie eine „Quasi-Flüssigkeit“. Obwohl reines Plasma nicht die klassische Oberflächenspannung von Flüssigkeiten aufweist, gibt es elektromagnetische und druckbasierte Effekte, die es ähnlich „zusammenhalten“ und von seiner Umgebung abgrenzen. Der thermische Ausdehnungsdruck der Teilchen zwingt das Plasma im Wesentlichen dazu, jeden verfügbaren Luftraum auszufüllen, bis sich der Druck ausgleicht. Obwohl es keine Oberfläche im klassischen Sinne besitzt, zeigt Plasma in der Luft (z. B. bei einem Blitzeinschlag oder einem Plasmabogen im Labor) Grenzschichtphänomene:
- die elektrostatische Doppelschicht: An der Plasmaoberfläche versuchen Elektronen (aufgrund ihrer geringeren Masse und Beweglichkeit) schneller zu entweichen als Ionen. Dadurch entsteht eine dünne elektrische Ladungsdifferenz an der Grenzfläche, die eine Art „elektrische Wand“ bildet und die Teilchen zurückhält.
- die elektrostatische Doppelschicht: An der Plasmaoberfläche versuchen Elektronen (aufgrund ihrer geringeren Masse und Beweglichkeit) schneller zu entweichen als Ionen. Dadurch entsteht eine dünne elektrische Ladungsdifferenz an der Grenzfläche, die eine Art „elektrische Wand“ bildet und die Teilchen zurückhält.
Magnetische Kontraktion, der Pinch-Effekt: Fließt ein starker Wirbelstrom durch das Plasma, erzeugt er ein eigenes Magnetfeld, das eine nach innen gerichtete Lorentzkraft ausübt und das Plasma physikalisch komprimiert.
Akustische Kohäsion ist ein dynamischer Prozess; zentrale Kohäsion kann auch durch stehende Wellen erzeugt werden. Beispielsweise wird eine Gasblase mithilfe von Ultraschall-Stehwellen in einer Flüssigkeit gehalten. Im Moment des Kollapses kann die Temperatur im Inneren der Blase kurzzeitig 10.000 Kelvin erreichen, während der Außendruck etwa 1 atm beträgt.