Egy gömbvillám spektruma (Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning)

Az Abrahamson & Dinniss villámot feltételez, és szilícium gőzt, vagy Si-nanohálót. (Léteznek villám nélküli megfigyelések, sőt zivatarok idején is sok megfigyelés létezik, de közvetlenül villám után igen ritkák a megfigyelések!) Az általunk vázolt folyamatban fontos szerepe van a talajból induló, a villámoknál gyakoribb elővillámoknak, a pozitív streamereknek:

 

Egy streamer sematikus rajza terjedés közben, átmérője 2 - 3 mm

A fénysebesség 0.1 -1 % -ával mozgó pozitív töltésfelhő a csúcsa a döntő, ami mögött egy jól vezető, gyakran pozitív "földelő" plazmacsatorna van. A streamer növekedését a csúcsánál lévő elektronlavinák táplálják. A térerősség a csúcsban felerősödik, és messze meghaladja a levegő átütési pontját (kb. 30 kV/cm-t). A fotó ionizáció : a forró plazma ultraibolya (UV) fényt bocsát ki, ami a streamer csúcsán túl a levegőben kiszabadít néhány mag-elektront a gázmolekulákból, melyekből lavina alakulhat ki.

Hipotézis: Ha por (bármilyen, valószínűleg szerves fa-, cellulóz-, műanyagpor) elnyeli az elektronokat, a lavinafolyamat lelassul vagy teljesen leáll, kialakulhat a gömbvillám. Kritikus a szálló por jelenléte: a porrészecskék befogják a fotoionizáció során született mag-elektronokat: kialakul a Yukawa porplazma. Ha nincs elektronlavina, a streamer „motorja” lefullad, és a növekedés megáll.

(A kép forrása: Donglin Liu, Qiang Liu, Zhongdong Wang, Journal of Physics D: Applied Physics, Jan. 2021)

 

 

Amennyiben a gömbvillámok streamer eredetűek, akkor el kéne párologtatniuk annyi SiO₂ port, és elbontani, felemelni a talajról a szilícium gőzt, nanohálót, amennyi a több 100 Joule hőtermeléshez elégséges. A spektrumból következnek a Si, Fe, Ca szennyezések, de fűtést és a gömb stabilitását valószínűleg nem felszívott fémpor biztosítja. Egy korábbi tanulmányban, egy számpélda szerint több, mint ≈ 0.3 g Si por keletkezését, szállítását (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/984-a-goembvillam-fizikai-parameterei.html?Itemid=101) kéne feltételezni, ami aligha lehetséges, és a ≈ 0.3 g Si por már határeset, mert több fémpor súlya pedig nem teszi lehetővé a lebegést. Továbbá gömbvillámok nemcsak a talaj közelében keletkeznek, ezért :

 

Hipotézis: a könnyebb és gyakrabban előforduló szerves, valamilyen szénvegyület szennyezést feltételezünk. A szerves anyagok mindenhol a levegőben is előfordulnak, és elegendő mennyiségű égő fütő anyagot szolgáltatnak a stabil lebegéshez.

Az első kísérlet célja lenne belátni, hogy a pozitív töltésű streamer csúcsokból milyen feltételek esetén keletkezik Yukawa porplazma szennyezés, pl. szénszemcsék, esetleg fémszemcsék jelenlétében, hacsak a másodperc tört részére is?

A második kísérlet célja bizonyítani, hogy a szénszemcsék által szennyezett 1300 -3500 Kelvines Yukawa levegő-szénpor "folyadék" plazmák néhány másodpercig, néhány 10 másodpercig lebegnek, ami Γ = 50 -100 -as csatolási állandó esetén számítások alapján belátható. Az égés oxigént fogyaszt, ami jól mérhető. Mérés: létre hozandó pozitív streamer szerves aeroszolos levegőben, majd megfigyelni, hogy létrejön-e a streamer megszűnése után is fennmaradó világító objektum? Ha akár csak néhány tizedmásodpercig fennmaradó fénylő klaszter keletkezne, az már nagyon érdekes eredmény lenne.

(A porplazma-kísérletek többsége alacsony nyomáson működik. Légköri nyomáson:

a rekombináció gyors, az ütközések gyakoriak, a Debye-hossz nagyon kicsi.) Ezért a kritikus kérdés, hogy létrejöhet-e légköri nyomáson olyan erősen csatolt állapot, amelynek már folyadékszerű tulajdonságai vannak?

 

A pozitív töltésű streamer csúcsokból keletkezik Yukawa porplazma légköri nyomáson, szennyezés, pl. szénszemcsék, esetleg fémszemcsék jelenlétében (a Γ csatolás mérése) ?

 

Egy pozitív streamer csúcsában  nagy elektromos térerősség van (esetleg MV/m nagyságrendű), intenzív ionizáció zajlik, molekulák disszociálnak, aeroszolok, koromszemcsék, szerves részecskék keletkezhetnek. Ha elegendő apró szemcse (mikronos, nano méretű részecske) jön létre, akkor elektronokat gyűjthetnek össze, jelentős negatív töltést vehetnek fel, árnyékolhatják a Coulomb-kölcsönhatást, ami a Yukawa porplazma, bár még nem jelent folyadékszerű vagy önfenntartó porplazma. A laboratóriumi Yukawa-porplazmákat nem streamerekből állítják elő. Valószínűleg létrejön néhány töltött porszemcse a streamer környezetében. A plazmafizikában a Γ (Gamma) csatolási paraméter megmutatja, hogy a részecskék közötti elektromos-kölcsönhatás mennyire erős a hőmozgáshoz viszonyítva. Közvetlenül Γ nem mérhető. Ha a streamer-csúcsokból származó szén- vagy koromszemcsék mikro-, nanométeresek, akkr több ezer elektron töltést hordoznak, ha a Debye-hossz nem túl kicsi, akkor könnyen előfordulhat, hogy Γ=10−100, vagy nagyobb érték, ami már folyadékszerű Yukawa-porplazmának felel meg, amikor felmerülhet a felületi feszültséghez hasonló kollektív viselkedés, amelyre a gömbvillám-hipotézis épül.

 

Létrejöhet-e nagy sűrűségű poranyag, ami felvehet-e nagy töltést, kialakulhat-e a Γ ≈ 50–100 folyadékszerű tartomány (döntő kérdés)?

 

Érdemes a hipotézis egyes lépéseit külön ellenőrizni (AI válasz, erősen javítva):

1. Alapkísérlet: streamer által létrehozott por kimutatása. keletkezik-e jelentős mennyiségű töltött részecske a streamer csúcs közelében?

Kísérleti elrendezés:

hegy–sík elektróda,
pozitív impulzusfeszültség (10–100 kV),
levegő normál nyomáson,
nyomnyi mennyiségű szerves gőz (fa-, cellulóz por, vagy terpének, etanol vagy más szénhidrogén).

Mérés:

lézerszórás,
részecskeszámláló,
elektromos mobilitásmérő.

Ha a streamer után megnő a nano- vagy mikrorészecskék száma, az már az első lépés igazolása.

2. Töltésmérés. A keletkezett részecskék tényleg erősen töltöttek-e?

A streamer után a gázáramot át lehet vezetni:

Faraday-kalitkán,
elektromobilitás-analizátoron.

Így mérhető:

a töltés előjele,
a töltés nagysága,
a töltés/részecske arány.

3. Megjelennek-e Yukawa-rendszerekre jellemző  struktúrák?

A streamer zóna mögött: lassú gázáramlás, nagysebességű kamera, lézerlapos megvilágítás.

Keresendőek: szálak, szemcsék, cseppekhez hasonló tömörülések, hullámjelenségek.

Ilyesmit porplazmákban már sokszor megfigyeltek.

4. Debye-hossz és csatolási paraméter becslése

Ha mérhető:

részecskeméret,
részecskesűrűség,
töltés, akkor kiszámítható: Γ= (4πε_oak_BT) Q² exp (−a/λ_D) 

ahol a az átlagos részecsketávolság, λ_D a Debye hossz. Ha Γ nagyságrendileg 10–100 közé esne, az már valóban erősen csatolt Yukawa-rendszer lenne.