A földi elővillám (streamer) azonnali, forró gyújtóforrás, amelyet a lebegő pernye-szénpor "táplál" és vezetőképességével segíti a felemelkedését → lebegő plazma alakul ki
Ha belecsap egy villám valahol a talajba lebegő pernye keletkezik, ami gyakori jelenség. Egy földi elővillám (streamer) a lebegő pernyében található szénport, kormot meggyújthatja, 1000 - 4000 Kelvines plazma alakul ki, mert a streamerfej magas elektron hőmérsékletű. Az elektromos szikrahatása veszélyes: a gáz a streamerfejben hideg, de a benne mozgó elektronok energiája magas, több tízezer K fokos. Ha a lebegő szénpor koncentrációja eléri a kritikus szintet, a streamerfej elektromos kisülése (szikrája) képes elindítani a gyulladást, ha az meghaladja a szénpor minimális gyulladási energiáját (ami kb. 30–100 mJ), a csatornában úgynevezett nem-termikus (hideg) plazma jön létre.
A földi elővillám bázisa pontosan ott alakul ki, ahol a villámcsapás miatt korábban keletkezett, még lebegő szénpor és pernye a legsűrűbb: a talaj és a növényzet közvetlen közelében. Mivel ez a felfelé törő kisülés is egy plazmacsatorna (hőmérséklete gyorsan eléri az 1000 °C feletti tartományt), a benne és a közvetlen környezetében lévő szénszemcséket a gyulladási hőmérsékletre hevíti. A szénpor "villámvonzó" vezető anyag. A levegőben lebegő szénpor nemcsak éghető, hanem kiváló elektromos vezető is (szemben a tiszta, száraz levegővel). Amikor a talajból kiindul a földi elővillám, a mikroszkopikus szénszemcsék a térerő hatására polarizálódnak, és mintegy „láncot” alkotva megkönnyítik a plazmacsatorna növekedését. A lebegő szénporfelhő segíti a földi elővillám kialakulását, mert csökkenti a levegő átütési feszültségét.
Ha a földi elővillám belekap a szénporos pernyébe, a szénszemcsék hirtelen gázosodása és égése miatt a tágulás heves lesz. A porégés, esetleg a mini-robbanás csak ezredmásodpercekig tart önállóan, mert amint a földi elővillám összekapcsolódik a felhőből jövő ággal, bezárul az áramkör, és azonnal lecsap a fővillám, ami a másodperc törtrésze alatt mindent tiszta energiává és hamuvá változtat.
Ha nincs felhőből jövő ág, akkor poros plazma (dusty plasma), azon belül pedig a Yukawa-plazma (vagy Yukawa-folyadék) modelljével írható le a kialakuló rendszer, ahol a kémiai égés energiája közvetlenül beépül a plazma egyensúlyi rendszerébe (https://arxiv.org/pdf/1708.04874), (https://baylor-ir.tdl.org/bitstreams/9c43d857-7527-490c-b26d-2d095bab531a/download).
A folyamat pontos fizikai és kémiai mechanizmusa a következőképpen zajlik le ebben a fázisban:
1. Hogyan lesz a pernye és szénpor mikroszemcséiből Yukawa-plazma? A földi elővillám csatornájában a szabad elektronok és ionok rátapadnak a lebegő szénpor- és koromszemcsékre. Mivel a szénszemcsék (a gázmolekulákhoz képest) nagy méretűek, óriási, akár több ezerszeres negatív elektromos töltést képesek összegyűjteni. A szuper-töltött szénszemcsék a plazmában lévő elektronok és ionok révén leárnyékolják egymást. A köztük fellépő kölcsönhatást a fegyverzetről ismert Yukawa-potenciál (leárnyékolt Coulomb-potenciál) határozza meg. A lebegő pernye és az elővillám együttesen egy erősen csatolt Yukawa-rendszert alkot. [1] (https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.5.033086), [2] (https://elib.dlr.de/106252/1/KhrapakPPCF_2015.pdf), [3] (https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.81.25), [4] (https://arxiv.org/pdf/1708.04874)
2. Fedezi a szén égése a plazma veszteségeit? A plazma természetes állapota az, hogy folyamatosan energiát veszít (hősugárzás, rekombináció, a környező hideg levegő hűtőhatása és az elektronok ütközési veszteségei miatt). Egy sima, tiszta levegőben haladó elővillám emiatt gyorsan összeomolhatna, ha az elektromos tér nem táplálná. A szénpor kémiai energiája exoterm energiabetáplálás: A földi elővillám plazmájának hője (1000–3000 °C) begyújtja a Yukawa-rendszert képező szén- és koromszemcséket. A szén égése erősen exoterm (hőtermelő) folyamat, ami pótolja az energiaveszteségeket. A tudomány a jelenséget plasma-assisted combustion-nek nevezi. A plazma szabad gyököket hoz létre, ami felgyorsítja a szén égését, az égésből származó hő pedig visszatáplálja és stabilizálja a plazmát. [1] (https://www.researchgate.net/publication/401207968_Foundations_of_plasma-assisted_combustion_I_Fundamentals_of_combustion_and_plasma), [2] (https://www.mdpi.com/2226-4310/11/9/697), [3] (https://www.researchgate.net/publication/260295735_Kinetics_of_low-temperature_plasmas_for_plasma-assisted_combustion_and_aerodynamics)
3. A végeredmény egy autonóm plazmacsatorna. A szénporos pernye égése miatt a földi elővillám plazmája stabilabbá válik, lassabban hűl ki, és sokkal kisebb elektromos térerő mellett is képes fennmaradni és növekedni a felhő irányába, mintha csak tiszta levegőben haladna. A szénpor egyszerre működik elektromos vezetőként, a Yukawa-plazma nehézrészecske-rácsaként, és az egészet életben tartó kémiai üzemanyagként. (https://baylor-ir.tdl.org/bitstreams/9c43d857-7527-490c-b26d-2d095bab531a/download) A fizikai modell magyarázatot adhat bizonyos keresett elektromos jelenségekre is.
A fizikai modell magyarázatot adhat bizonyos elektromos jelenségekre is, pl. a gömbvillámok kialakulásához (mivel a gömbvillám egyik tudományos elmélete pontosan a lebegő, égő szilícium/szén nagy részecskék plazmája).
A pernye összetétele
Ha a Yukawa-plazma stabilizálása és a lebegő pernye szerepe: A plazmát alkotó pornak (pernyének) a valóságban csupán 5 – 25%-a az éghető anyag (elégetlen szén), a többi 75 – 95% teljesen éghetetlen lebegő ásványi hamu. Az arány kifejezetten segíti a Yukawa-plazma egyensúlyát:
1. Az éghető rész (5 – 25% elégetlen szén / korom): Amikor a villámcsapás vagy a kezdeti pirolízis szétrobbantja a fa szerves anyagait, a keletkező pernye nem tiszta szén. A hirtelen jött, tökéletlen égés miatt a pernye szénkoncentrációja többnyire 10% és 20% között mozog, és az 5–25%-nyi széntartalom bőségesen elegendő arra, hogy a plazma magas hőmérsékletén (plazma-asszisztált égés) begyulladva fedezze a plazmacsatorna hőveszteségeit. Ha a pernye 100%-a tiszta szén lenne, az égés túl heves lenne, pillanatok alatt elszívná az oxigént, és a plazma a fojtogató gázok (CO) miatt összeomlana.
2. Az éghetetlen rész (75 – 95% ásványi szilikátok és fémoxidok): a pernye döntő többsége mikroszkopikus méretű, megolvadt és üvegesedett ásványi szemcse (szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxid és kalcium), ami a fa szervetlen "csontvázából" származik. Az éghetetlen rész kulcsfontosságú a Yukawa-modellhez, ez a töltéshordozó bázis. A nehéz ásványi szemcsék veszik fel a hatalmas (10³ - 10⁴ e) negatív elektromos töltést a plazmában. A Yukawa-rács stabilizálása: mert ezek a szemcsék nem égnek el és nem tűnnek el gázként (szemben a szénnel, ami gázzá alakul), tartósan jelen maradnak a plazmacsatornában. és képezik a Yukawa-potenciál által leárnyékolt, erősen csatolt, "nehéz" makrorészecske-hálót, ami kohéziót ad a plazmának. A pernye egy tökéletes hibrid rendszer: az 5–25%-nyi széntartalom folyamatosan táplálja kémiai energiával (hővel) a plazmát, míg a 75–95%-nyi éghetetlen ásványi por biztosítja azt a fizikai struktúrát és stabil töltésrácsot, amitől a plazma "poros" Yukawa-plazmaként képes viselkedni. Az egyensúly teszi lehetővé, hogy a földi elővillám zónájában a plazma egy önfenntartó, lassan mozgó vagy helyben lebegő ionizált csatornát alkosson.
Példa: 0.5g szén lassú égése
80% -nyi éghetetlen port hány fokra melegít 100K ről? A tiszta termodinamikai számítás alapján 0,5 gramm szén tökéletes elégetése a vele lévő 2,0 gramm éghetetlen port elméletileg körülbelül 8300 Kelvinre (kb. 8000 °C-ra) melegítené fel 100 K-es kezdőhőmérsékletről. A valóságban azonban ez a hőmérséklet nem érhető el, mert a fizikai folyamatok (olvadás, elpárolgás és hősugárzás) körülbelül 2500 – 3000 K (2200 – 2700 °C) között maximalizálják a rendszer hőmérsékletét. A számítás és a fizikai korlátok részletesen:
1. A felszabaduló kémiai hőenergiaHa a 0,5 g szén a pernye 20%-a, akkor az 80%-nyi éghetetlen por tömege 2,0 gramm. A szén égésének reakcióhője nagyjából 393,5 kJ/mol. 0,5 g szén elégetésekor ~16 380 Joule tiszta hőenergia szabadul fel.
2. Az elméleti felmelegedés (Veszteségek nélkül 8290 k.
3. Miért korlátozza magát a valóságban a rendszer? Olvadás és párolgás (Latens hő): amint a por eléri a ~1900 K-et, az ásványi szemcsék elolvadnak, majd 2500–3000 K környékén elpárolognak (gázzá alakulnak). A halmazállapot-változás sok energiát (rejtett hőt) emészt fel, ami hűti a folyamatot.
Feketetest-sugárzás: A Stefan–Boltzmann-törvény értelmében a por hősugárzással leadott vesztesége a hőmérséklet negyedik hatványával arányos. 2500 K felett a por olyan intenzitással sugározza ki a hőt a környezetébe, amit a szén lassú égése már nem lenne képes pótolni, de ha felizzik a rendeszer, az emissziós tényező 10-3 - 10-4 értékű lesz.
A Yukawa-plazma szempontjából: a reakció pont a legideálisabb tartományban, 2500 K körül stabilizálja önmagát. Ez a hőmérséklet már bőven elég ahhoz, hogy a gázok ionizáltak maradjanak (fenntartva a plazmaállapotot), ami még nem veti szét a rendszert a termikus robbanás, így a "meleg" kémiai égés tökéletesen egyensúlyban tartja a "hideg" Yukawa-plazma elektromos veszteségeit.
4. Ha a pernye széntartalma 10%-ra csökken, miközben a szén nettó tömege változatlanul 0,5 gramm marad, az azt jelenti, hogy a rendszerben lévő éghetetlen ásványi por tömege több mint a duplájára, 4,5 grammra nő (így jön ki a 10% szén – 90% por arány). Mivel ugyanazt a hőenergiát most lényegesen nagyobb tömegű anyag között kell szétosztani, a tiszta termodinamikai számítás szerint a rendszer körülbelül 3743 Kelvinre (kb. 3470 °C-ra) melegedne fel a 100 K-es kezdőhőmérsékletről. A plazmafizikában ez a 10%-os arány sokkal közelebb áll a stabil, fenntartható Yukawa-plazmához. mert kevesebb fázisátalakulási veszteség.
Mivel a számított 3740 K-es hőmérséklet közelebb van az ásványi por (szilikátok) forráspontjához, a por kisebb része alakulna át gázzá. A rendszer jelentős része megmaradna folyékony halmazállapotú, olvadt mikrocseppeknek.
A tökéletes Yukawa-folyadék: a plazmafizikában az erősen csatolt poros plazmát gyakran Yukawa-folyadékként modellezik. A 10%-os szénarány mellett keletkező 4,5 g ásványi por sűrűbb, stabilabb nehézrészecske-rácsot alkot, miközben a felszabaduló energia még mindig bőségesen elég ahhoz, hogy a gázokat ionizált (plazma) állapotban tartsa. A szénarány feleződésével a hőmérséklet is nagyjából a felére esik vissza (3740 K), de ez a hőmérséklet még mindig bőven a villámcsatornák és a plazma-asszisztált égés kritikus tartománya felett van, így a rendszer öntápláló jellege továbbra is tökéletesen működik.