Villámcsapás vagy elővillám → lebegő plazmagömb
Összefoglalás
Amikor belecsap egy villám a talajba, lebegő pernye keletkezik, ami gyakori jelenség, más okokból is előfurdul. A pernyék anyaga szilícium-, aluminíum- és kalciumoxidok, korom. Ha a súrlódás vagy egy földi elővillám (láthatatlan streamer) a lebegő pernyében található éghető anyagot, szénport, koromszemcséket meggyújtja, akkor 1000 - 4000 Kelvines plazma alakul ki, ami ritka jelenség: az éghető plazmának a tulajdonságait, kihűlését, gyújthatóságát, stabilitását vizsgáljuk. A megfigyelések kb. egy harmadában a villámcsapás nem közvetlenül idéz elő a gömbvillámokat, ez a vizsgálat egyik oka, mert figyelembe kellett venni a lebegő pernye gyújthatóságát is.
A földi elővillámok csúcsa, a streamerfej magas elektron hőmérsékletű, míg a gáz a streamerfejben hideg, de a benne mozgó elektronok energiája magas, több tízezer Kelvin fokos. Ha a lebegő szénpor koncentrációja eléri az éghető koncentrációt, a súrlódás vagy a streamerfej elektromos kisülése (szikrája) képes elindítani a gyulladást, ha elegendő a szénpor minimális gyulladási energiájához (ami kb. 30–100 mJ), vagy pl. a szilíciumporéhoz, és ekkor nem-termikus (hideg) plazma jön létre.
A gömbforma kialakulása már szigorú matematikai kényszer. A plazmában lévő elektronok és ionok Debye-árnyékolást hoznak létre -az 1 μm alatti porszemcsék körül, ekkor a gravitáció elhanyagolható-, ami a Coulomb-potenciált Yukawa-potenciállá alakítja, ami a plazmát folyadékszerű, erősen csatolt állapotba, Yukawa-porplazma állapotba kényszeríti. Kis szemcseméretnél a gartvitáció hatása elhanyagolható. A felületen fellépő aszimmetrikus erők miatt felületi feszültség keletkezik, amely a plazmatömeget – a szabadenergiát minimalizálva – kényszerítő erővel összehúzza a legkisebb felületű geometriai alakzatba, egy gömbbe. A gömb veszteségeit, stabilitását kémiai fűtés biztosítja (több féle anyag égése lehetséges), az égés stabilitását pedig a szén-dioxid, a vízpára, és a szabad gyökök rekombinációi biztosítják, melyek negatív visszacsatolásos jelenségek. Yukawa-porplazma a természetben gyakori jelenség, nehezen gyullad be. A gömbvillámot alkotó talajmenti elemek (szén, szilícium, vas, kalcium) átlagos hőmérséklete a magban 4330 és 4600 Kelvin között mozgott, a külső, folyamatos spektrumú részeknél pedig csupán 2700 Kelvin.
Gyújtási hőmérséklet + poros pernye → Yukawa-porplazma
Nem nyilvánvaló, hogy egy villám keltette pernyében van éghető anyag, és hogy a súrlódás -vagy valami más- be tudja gyújtani a pernyét, pl. a homokból redukált szilíciumport, ezek feltételezések, és megtörténhetnek. Egy további lehetőséget is vizsgálunk, amikor egy földi elővillám ott alakul ki, amikor egy vonalas villámcsapás vagy más miatt korábban keletkezett éghető pernye, és a még lebegő szénpor elég sűrű a talaj és a növényzet közvetlen közelében. Mivel a felfelé törő elővillámban van egy plazmacsatorna (a fejhőmérséklete gyorsan eléri az 1000 °C feletti tartományt, és a hőmérséklete magas, jellemzően 2 és 5 elektronvolt között mozog, ami a hagyományos hőmérsékleti skálára átszámítva körülbelül 23 000 K és 58 000 K közötti értéket jelent, 1 eV ≈ 11 600 Kelvin), amely a benne és a közvetlen környezetében lévő szemcséket a gyulladási hőmérsékletre hevíti. Maga 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 „láncot” alkotva megkönnyítik a plazmacsatorna növekedését. A lebegő szénporfelhő segíti a földi elővillám kialakulását, mert csökkenti a levegő átütési feszültségét. Ha nincs felhőből jövő felső ág, akkor az izzó poros plazma, 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. Modellezési hiba az éghető anyagok közül csak egy elemet, vegyületet figyelembe venni, -pl. csak a szenet, vagy a szilíciumot, és a szén-monoxidot figyelmen kívül hagyni-, a helyes állítás: a kémiai égés pótolja a plazma veszteségeit az éghető anyagokból, és sok ezer Kelvinen Yukawa-porplazma alakul ki.
Kémiai égés → Stabilitás → Lebegés
A földi elővillám csatornájában a szabad elektronok és ionok rátapadnak a lebegő szénpor- és koromszemcsékre. Mivel a szénszemcsék a gázmolekulákhoz viszonyítva nagy méretűek, óriási, akár több ezerszeres negatív elektromos töltést képesek összegyűjteni. A töltött szénszemcsék a plazmában lévő elektronok és ionok miatt árnyékolják egymást. A köztük fellépő kölcsönhatást a Yukawa-potenciál (árnyékolt Coulomb-potenciál) határozza meg. A lebegő pernye és az elővillám együttesen erősen csatolt Yukawa-rendszert alkot. A Yukawa-porplazma egyik tulajdonsága, hogy van a felületi energiája aszimetrikus erőkkel, ami a felületi feszültséghez hasonló jelenség, és összehúzza a plazmát, a korlátozott oxigénfluxus pedig elnyújtja az égési folyamatot, együttesen stabilizálják a gömb alakot.
A lebegés feltétele nemcsak a gravitációs erő és a felhajtó erő egyensúlya, hanem a plazma állandó hőmérséklete is. Lehetett találni olyan önszabályozó folyamatot, amelyik stabilizálja a plazma hőmérsékletét. A plazma természetes hűlési és elektromos veszteségeit a párából származó szabad gyökök (pl. a hidroxil, az -OH gyökök és a CO → CO2 ) felületi rekombinációja és kémiai oxidációja is fedezi. A rekombináció ebben a hőmérséklet tartományban stabilizálja önmagát, és elég forró ahhoz, hogy a gázok ionizáltak maradjanak, de nem vezet termikus robbanáshoz. A levegő megfelelő páratartalma fontos, mert vízgőz ad -OH (hidroxil) és H+ szabad gyököket a stabilizáló rekombinációhoz.
Disszociáció és gyökképzés: a földi elővillám (streamer) kezdeti, magas elektron-hőmérsékletű zónájában a vízmolekulák és a gázok disszociálnak, az oxigénfluxus által meghatározott lassú felületi égés és rekombináció történik. Amikor a rendszer eléri az önszabályozott egyensúlyi hőmérsékletet, a gázfázisú disszociáció lelassul, és a rekombinációs folyamatok erősödnek. A szabad -OH gyökök a lebegő pernye szénpor-szemcséinek felületén katalizálják a szén és a szén-monoxid (CO) oxidációját. Az -OH gyökök egymással, illetve oxigénnel és hidrogénnel való rekombinációja nagy exoterm energiát (hőt) szabadít fel, ami gyorsan rekombinálódik. A szén-dioxid disszociációja a hőmérséklet emelkedésével: ~2000 °C-on a molekulák 1-2%-a bomlik el, majd ~3000 °C-on a disszociáció mértéke már eléri a 40-50%-ot, és a 3200 °C – 3500 °C közötti tartományban majdnem az egész átalakul szén-monoxiddá és oxigénné. A szén-monoxid az adott hőfokon stabil vegyület sokáig. A folyamat nem robbanásszerű, hanem a gyökök korlátozott száma és a por felületi adottságai miatt szabályozott, lassú égés, a plazma nem hűl ki azonnal, hanem másodpercekig autonóm módon fennmarad és lebeg a környező hideg levegő sűrűségkülönbsége szerint. Amíg a szén és a vízgőz gyökei elégnek és gázzá alakulnak, a pernye 75–95%-át kitevő ásványi szilikátok és fémoxidok nem tűnnek el, lehullanak, amikor az égés megszűnik. A SiO2 egy része disszociál vagy megolvad (folyékony mikrocseppekké alakul), vagy a szén redukálja, de a nehéz részecskék a Yukawa-rendszerben maradnak. A magas töltésű ásványi szemcsék alkotják a Yukawa-rácsot, amely a plazma felületi energiáját biztosítja. A belső elektromos kohézió és a gyökök felületi égése együttesen biztosítják, hogy a plazmagömb néhány, néhány 10 másodpercig fennmaradjon, biztosítva a gömbvillám stabilitását, lebegését és élettartamát.
A gömb alak a Yukawa-plazma felületi energiájának a következménye
A villámcsapás során a talajból elpárolgó és lebegő pernye (75–95%-ban éghetetlen ásványi szilikátok, mint a SiO2, és fémoxidok) mikroszkopikus szemcséi nagy negatív töltést gyűjtenek össze. A gömbforma kialakulása szigorú matematikai kényszer. A plazmában lévő elektronok és ionok Debye-árnyékolást hoznak létre a porszemcsék körül, ami a Coulomb-erőt Yukawa-potenciállá alakítja át. A plazmát egy folyadékszerű, erősen csatolt állapotba kényszeríti. A felületen fellépő aszimmetrikus erők miatt valódi felületi feszültség keletkezik, amely a plazmatömeget – a szabadenergia minimalizálása érdekében – kényszerítő erővel húzza össze a legkisebb felületű geometriai alakzatba, egy stabil gömbbe. A létrejövő erősen csatolt Yukawa-porplazmában az elektromos leárnyékolásból kollektív felületi energia származik, amely a felületi feszültséghez hasonlóan működik. Kiegyenlíti a belső zavarokat, rugalmasan összetartja a struktúrát külső elektromos feszültség nélkül is, és biztosítja a rugalmas, közel gömb alak megmaradását a belső áramlások és a külső zavarok ellenére.
A kollektív felületi energia úgy viselkedik, mint a folyadékok felületi feszültsége, összetartja a struktúrát anélkül, hogy külső elektromos vagy mágneses mezőre lenne szükség. A nulla nyomáskülönbség a klasszikus folyadékcseppekkel ellentétben – ahol a felületi feszültség belső túlnyomást hoz létre-, a Yukawa-rendszerben a belső és külső nyomás megegyezik. A felületi energia rugalmas határfelületi alaktartást eredményez. A felületi energia minimalizálja a felületet (ezért a gömb alak), és a belső gázáramlások vagy a külső elektromos/szélzavarok keltette deformációkat kisimítja, mutatja a gömbvillám élettartamát. A rugalmasság miatt -a megfigyelések szerint- kis résen, lyukon is átjuthat, van példa rá, hogy beolvasztotta, bezárta maga után az üveget.
A pernye összetétele
A Yukawa-plazma stabilizálása és a lebegő pernye szerepe: a plazmát alkotó pernyének csak 5 – 25%-a az éghető anyag (szén), a többi 75 – 95% éghetetlen lebegő ásványi hamu. Az arány segíti a Yukawa-plazma egyensúlyát. Az 5–25%-nyi széntartalom bőségesen elegendő arra, hogy a plazma magas hőmérsékletén (plazma-asszisztált égés) meggyulladva fedezze a plazma hőveszteségeit. Az éghetetlen részt. a 75 – 95%-ot ásványi szilikátok és fémoxidok alkotják. Mikroszkopikus méretű, megolvadt és üvegesedett ásványi szemcse (szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxid és kalcium), sokszor a fa szervetlen részei. Az éghetetlen rész alkotja a Yukawa-modell töltéshordozó szemcséit. A nehéz ásványi szemcsék veszik fel a hatalmas (10³ - 10⁴ e) negatív elektromos töltést a plazmában. A szemcsék nem égnek el és nem tűnnek el gázként (szemben a szénnel, ami gázzá alakul), tartósan jelen maradnak a plazmában. A pernye egy hibrid rendszer: az éghető tartalom, az 5–25%-nyi széntartalom az oxigénfluxus szerint 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 egyensúlyi égés teszi lehetővé, hogy a földi elővillám zónájában a plazmafelhő egy önfenntartó, lassan mozgó vagy helyben lebegő gömböt alkosson.
A gömbvillámok modellezésének problémái
A lényeges, hogy a modell autonóm legyen, azaz külső elektromos és mágneses erőterek hiányában is működjön -másként igen speciális erőtereket kéne feltételezni-, és megfeleljen a mért eredményeknek, megfigyeléseknek. A gömbvillám látszólag ok nélkül, a semmiből is keletkezik: lehetséges gyújtása a láthatatlan streamerek vagy a súrlódás. Fontos tulajdonság, hogy a keletkező gömbvillám saját magát fűti fel az egyensúlyi állapotig. Lebegéséhez, stabilitásához pedig szabályozott égésre van szükség.
Szerencsés, hogy létezik műszeres megfigyelés [1]: kínai kutatók megmérték egy gömbvillám spektrumát. A tanulmányukban optikai, spektroszkópiai mérésekről számoltak be. A megfigyelés során a gömbvillám fényességét, színét, méretét és élettartamát, valamint a kibocsátott fény spektrumát és intenzitását rögzítették. A spektroszkópiai vizsgálat alapján több kémiai elem jelenlétére utaló emissziós vonalakat azonosítottak: szilícium (Si), vas (Fe), kalcium (Ca), magnézium (Mg) és titán (Ti) vonalai jelentek meg. Különösen érdekes, hogy a spektrum nemcsak a levegőből származó elemekre utal, hanem a talajból származó anyagok jelenlétére is. Alátámasztja azt az elképzelést, hogy a villámcsapás a talajból párologtatott vagy elporlasztott anyagokból, pernyéből is kialakulhat. A kutatók a gömbvillám színhőmérsékletét átlagosan 4000 Kelvinre becsülték. Az irodalomban található modellek homogének, abban az értelemben, hogy egy vegyület -pl. szilícium- tulajdonságain alapulnak. Az általános gömbvillám modellben figyelembe kell venni a vonalas villámokban megfigyelt összes vegyületet és a pernyeanyagokat, tehát inhomogén anyagú modellek lesznek.
1. ábra. Egy gömbvillám spektruma [1]
Bemenő paraméterek:
Környezeti adatok:
Légköri nyomás (P), környezeti hőmérséklet (T).
Geometria és anyag:
Gömb átmérője (D),
Szükséges pernyetömeg (m),
Pernye éghető (szén) tartalma (sz),
A pernye sűrűsége (s),
Átlagos szemcseátmérő (d) .
Termodinamika:
Maghőmérséklet (Ti), Felületi hőmérséklet (To).
Plazmafizikai jellemzők:
Elektronhőmérséklet (Te),
Emissziós hányados (εeff),
Effektív felületi energia-együttható (γeff).
Kimenő paraméterek:
Szemcsék száma (N): A plazmában található pernyerészecskék teljes mennyisége.
Csatolási állandó (Γ): A porplazma belső folyadékállapotát és az elektrosztatikus potenciált jellemző érték.
Termodinamikai és fűtési paraméterek:
Teljes hőveszteség (sugárzás): A felületi sugárzás miatti energiaveszteség wattban.
Fűtés / Energia-utánpótlás: az éghető szemcsék (szénszemcsék) lassú oxidációjából és a gyökök rekombinációjából származó hőtermelés.
Disszociációs arány: A gázmolekulák (pl. CO₂ , -OH. -H) hőmérsékletfüggő felbomlási százaléka.
Plazmafizikai paraméterek
Debye-hossz: Az elektronok elektromos árnyékolási távolsága mikrométerben.
Effektív felületi energia-együttható (γ): A gömb alakot biztosító, felületi feszültséghez hasonló együttható.
Lebegési és élettartam paraméterek
A gömb teljes saját tömege: A pernye és a belső forró levegő együttes súlya.
A forró gáz felhajtóereje: A környezeti levegő által kifejtett felhajtó erő tömeg-egyenértéke.
Nettó egyensúly (nettó felhajtóerő): A lebegést közvetlenül lehetővé tevő eredő erő.
Élettartam: A gömbvillám fennmaradásának ideje másodpercben az üzemanyag elfogyásáig.
Stabilitási állapot: A fűtési és hűtési folyamatok negatív visszacsatolású egyensúlya.
Példa
Geometriai és szerkezeti paraméterek
Átmérő 30 cm,
Felület ≈ 0,283 m²
Térfogat ≈ 0,0141 m³
Szükséges pernyetömeg: 15,0 gramm.
A Yukawa-plazma szemcse anyaga: pernye, kb. 0,3 gramm tiszta széntartalommal.
Szemcsék száma (N): ≈ 8,8 × 10¹⁰ darab (5 μm-es átlagos szemcseátmérővel), egy szemcsére .
Csatolási állandó (Γ): ≈ 75, a porplazma a belső térben erősen csatolt folyadékállapotban van.
Termodinamikai és fűtési paraméterek
Maghőmérséklet: ≈ 3000 K
Felületi hőmérséklet: ≈ 2000 K, ami narancsos-fehér izzást okoz. A felület optikailag vékony, rekombinációs plazma.
Teljes hőveszteség (sugárzás) ≈ 260 W (felületi sugárzás, εeff ≈ 10-5 - 10-4 ).
Fűtés: a fűtést a szemcsék felületén lévő 0,3 g szén lassú oxidációja fedezi.
Plazmafizikai paraméterek
Debye-hossz ≈ 35 – 45 μm, az elektronhőmérséklet 10 4 K körüli.
A porszemcsés Yukawa-fázis effektív felületi energia-együtthatója, aminek "felületi feszültség" a szerepe a modellben:
γ ≈ 10-5 - 10-6 N/m körüli.
Lebegési és élettartam paraméterek
A gömb teljes saját tömege: ≈ 17 gramm (A pernyetömeg + a forró levegő súlya).
A forró gáz felhajtóereje: ≈ 17 gramm tömeg-egyenértékű erő (felhajtó erő).
Nettó egyensúly: ≈ 0,2 gramm nettó felhajtóerő, ami a lebegést teszi lehetővé, a gömb stabilan lebeg a viharos, nagynyomású zivataros légrétegben, a légnyomás függvényében.
Élettartam: 20 - 40 másodperc.
Stabilitás: ha a rekombinációk száma nő, az fűtő hatású, ha csökken, az hűtő hatású. A szén égéshője (≈ 393 kJ/mol) alapján a gömbben lévő 0,3 gramm szén teljes elégése (fekete test esetén) elméletileg ≈ 0.038 másodpercig tartana tiszta oxigénben, de a gömbvillám emisszió hányadosa εeff ≈ 10-5 - 10-4, a parázslás elnyúlik a megfigyelt 10–40 másodpercre. A sugárzási képesség összefügg az anyag abszorpciós (elnyelési) képességével. A gömbvillámok többségénél a felületi réteg a megfigyelések szerint optikailag vékony, azaz majdnem teljesen átlátszó gáz- vagy plazmaképződmény. Mivel a fény nagy része akadálytalanul áthalad rajta (alacsony az abszorpciója), a feketetest-sugárzáshoz képest a kibocsátási képessége is elhanyagolhatóan kicsi lesz. A fényhatást nagyrészt "hideg" lumineszcencia, gerjesztett atomok/ionok rekombinációja, vagy nanoméretű szemcsék (pl. égő szén-, fémrészecskék) lassú, felületi kémiai reakciója táplálja.
A szénrészecskék a gömb külső/átmeneti zónájában lassan oxidálódnak, és az oxidációból származó energia részben a belső plazma gerjesztését és hőmérsékletét tartja fenn. A lassú égés sebességét az O₂ bejutása és/vagy a szénfelület reakciókinetikája határozza meg. A hidroxil gyökök folyamatosan keletkeznek és rekombinálódnak.
Megsemmisülés: amikor a 0,3 gramm fűtés elfogy (szén-dioxiddá, párává alakul), akkor a gömbvillám hirtelen összeomlik, kihűl, és a némi megmaradt finom por láthatatlanul eloszlik a levegőben.
(A 15 g / 5 μm / 1000e / 35 μm paraméterekből egy kb. Γ = 75 -ös erősen csatolt Yukawa-folyadék valóban kijött az ellenőrzésnél. Érdekes lépés a modell 5 ismeretlenre: Qd, ne, ni, Td, Te, és abból kiszámolni, hogy mekkora gömbméret, portömeg és élettartam jön ki magától, paraméterek utólagos „beállítása” nélkül.)
A paraméterek "hangolása" (szimulációs modell)
Kémia és Oxigénellátás: a kevés, 1,4 grammos pernyefelhő széntartalma arányosan 0,03 grammra csökken, szénnek az égéshője 982 Joule energiát biztosít. Az oxigénigény a kisebb felületen át zajló diffúzióval pontosan egyensúlyba kerül, mivel a fűtési igény (55 W) is jóval kisebb. Egy új, átméretezett gömb paraméterei (0,001 emissziónál):
Paraméter Eredeti modell (30 cm) Módosított modell (14 cm)
Átmérő 30 cm 14 cm
Effektív emisszió 0,0001 0,001
Szükséges pernyetömeg 15,0 g 1,4 g
Széntartalom 0,30 g 0,03 g
Sugárzási veszteség ~256 W ~55,5 W
Becsült élettartam ~38,3 másodperc ~17,7 másodperc
Kémiai paraméterek
A vonalas villám spektrumában, [1], a hidrogénvonalak is fontosok lennének a levegő páratartalma miatt, míg a szén-monoxid molekula stabil marad a 4000 Kelvin körüli hőmérsékleten, és – ahogy a szén-dioxid is – nem rendelkezik erős emissziós vonalakkal a kamerák által rögzített 400–1000 nm-es látható/közeli infravörös tartományban. A hidrogén és a szén "láthatatlanná" vált a műszerek számára, mert kémiailag kötöttek. A szén és a hidrogén jelenléte elméletileg szükséges a modellekben. A kémiai formájuk (szén-monoxid gáz) és fizikai állapotuk (alacsony gerjesztettségű hidrogén, disszociált vízgőz) miatt nem okoznak olyan spektrumvonalakat, amelyeket a 900 méter távolságból mérő optikai spektrométerek rögzíteni tudtak volna. A spektrumot teljesen elnyomta a könnyen párolgó és alacsonyabb hőmérsékleten is fényesen világító talajfémek (talaj-elemek) ragyogása. A kínai kutatók nem azt bizonyították, hogy szén és hidrogén egyáltalán nincs a gömbben, hanem azt, hogy a gömbvillám fizikai állapota és energiája miatt a könnyen gerjeszthető talajfémek és a levegő atomjai voltak képesek vonalas spektrumot sugározni a látható tartományban.
A szén-dioxid molekula először szén-monoxidra és oxigénre bomlik, a folyamat 2700 °C és 3700 °C (3000–4000 K) között válik intenzívvé. A kínai gömbvillám 4000 °C körüli átlaghőmérsékletén a szén-dioxid jelentős része már átesett a bomláson. Mivel a gömbvillám átlagosan 4000 °C-os volt a kínai spektrumban, a szén-dioxid disszociált, de a folyamat megállt a szén-monoxid gáznál. A műszerek azért nem látták a szén jelenlétét, mert nem voltak szabad, gerjesztett szénatomok, amelyeknek a jellegzetes vonalait a spektrométer rögzíteni tudta volna. A szén-monoxid gáznak és a megmaradt szén-dioxidnak sincsenek erős, fényes emissziós vonalaik a kamerák által figyelt 400–1000 nm-es (látható és közeli infravörös) tartományban. A szén tehát kémiailag gázmolekulákba zárva maradt, miközben a talajból elpárolgó fémek (vas, szilícium, kalcium) atomjai teljesen szabadon, atomi állapotban ragyogtak ezen a hőmérsékleten.
A hidrogén begyújtása -ha van elegendő- gyors láncreakciót indítana el, amely a magas hőmérséklet miatt egymásba fonódó kémiai folyamatok sorozata. A folyamat nem egyszerűen egymás utáni lépésekből áll, hanem a hőmérséklet függvényében változó egyensúlyi reakciók folyamata. Először a hidrogén gyullad (szobahőmérséklettől ~1000 °C-ig) A hidrogén égése: A gyújtás hatására a keverékben lévő szabad gyökök (pl. -OH is) és vízgőz keletkezik, a reakció gyors és hőtermelő, ami a hőmérséklet gyors növekedését okozza.
A szénpernye korai reakciója: 400–700 °C-on, a szénpernye reagál, nemcsak az oxigénnel ég, hanem a jelen lévő vízgőzzel is reagál (heterogén vízgáz-reakció).
A fémoxidok redukciója és a CO-égés (1000 °C – 2000 °C): nem a hő bomlasztja őket!): a fémoxidok ezen a hőmérsékleten még stabilok lennének a tiszta termikus bomlással szemben, de a hidrogén és a szén-monoxid agresszív redukálószerként lép fel. Elvonják az oxigént a fémoxidoktól, így a fémek redukálódnak elemi fémmé, vagy alacsonyabb rendű oxiddá, miközben újabb vízgőz és szén-dioxid keletkezik.
A CO égése: a szénpernyéből származó szén-monoxid reakcióba lép a hidrogén égéséből megmaradt oxigénnel, szén-dioxiddá alakulva, ami a klasszikus, stabil fűtés (hőtermelés) fázisa.
A disszociációs és egyensúlyi zóna (2000 °C – 3000 K+): ahogy a hidrogén és a szén intenzív égése a csúcshőmérséklet felé emeli a hőmérsékletet, a folyamat megfordul. A hőtermelő égési reakciókkal szemben felerősödnek a hőelnyelő (endoterm) disszociációs folyamatok indulnak be:
2000 °C körül a szén-dioxid körülbelül 1–2%-a elkezd visszaalakulni szén-monoxiddá és oxigénné, és a folyamat hőt von el a rendszertől. Kb. 2200 °C felett jellemző a vízgőz termikus disszociációja is, hidrogén, oxigén, és OH ionok keletkeznek, erősen endoterm a folyamat.
A fűtési csúcson (3000 K környékén) a szén-dioxid és a vízgőz jelentős része szétesik, a rendszer eléri a kémiai egyensúlyt. Az égés során felszabaduló hőt a disszociáció azonnal elnyeli. Ha a disszociáció átlépi az 50%-ot, a nettó hőtermelés megszűnik, a hőmérséklet nem képes tovább emelkedni kb. 4000 K-en.
Az Abrahamson - Dinnissa modell
Az irodalomban a legelfogadottabb modell az Abrahamson - Dinnissa modell [2]. Ha a talaj szilícium-dioxidot (homokot, kvarcot) és szerves anyagokat (szenet) tartalmaz a megfelelő arányban, a villám energiája redukciókat indít el. A modell szerint a szén redukálja a szilícium-dioxidot a kis oxigén fluxusnál, aminek hatására tiszta szilíciumgőz keletkezik. Ahogy a forró szilíciumgőz hűl, az anyag kicsapódik (kondenzálódik), és parányi, nanométeres méretű szilíciumgömböcskék (nanorészecskék) permetévé alakul. A felületi töltések és erők hatására ezek a nanorészecskék láncokká, majd egy laza, könnyű, vattaszerű, hálózatos gömbbé állnak össze, miközben sűrűsége alig nagyobb a levegőnél, ezért képes lebegni. A Si részecskék égése viszonylag stabilan fenntart ~2000 K-es hőmérsékletet. Miután elégett, kihűlt a vattagömb, elporlad a váz. Probléma, hogy a gömbvillámok az esetek 25-33 %-ában a semmiből keletkeznek, a szilíciumos modell nem gyújtható be, ha kihűlt. Miután a struktúra teljesen kihűlt és a nanorészecskék felülete passziválódott (bevonta őket az inert szilícium-dioxid), a hálózat stabilitása és kémiai reaktivitása megszűnik. Külső, extrém energiabevitel (újabb elektromos ív vagy villámcsapás) nélkül a "szilícium-permet" nem képes spontán újra égni vagy gömbbé, gömbvillámmá alakulni. (Azaz, pl. mi a valószínűsége annak, hogy eltalálja egy villám? Annak a valószínűsége, hogy egy hagyományos villámcsapás telibe találjon egy már létező gömbvillám maradékát, és begyújtsa matematikailag és fizikailag is a nullához közelít.)
A szilícium égését később brazíliai kutatók (António Pavão és Gerson Paiva) laboratóriumban tesztelték. Szilícium-lapkákon nagy erősségű (140 amperes) elektromos ívet vezetve olyan apró, világító, izzó szilíciumgömböket hoztak létre, amelyek másodpercekig pattogtak a laboratórium padlóján, megerősítve a modell működőképességét. Ismert jelenség, hogy az ólomakkumlátorok sarui is szépen szikráznak érintéskor, mert apró izzó fém, ólomdarabkák szakadnak ki. Los Alamosban, amikor elhagyták a telepet az 1940-es években, kisütötték a 110 V-os nagy teljesítményű akkutelepet, és nagy méretű, centiméteres világító szikragömbök gurultak méterekre, melyek nem gömbvillámok.
A kémiai - plazmafizikai modellezés további problémái
≈ 4000 Kelvines hőmérsékleten a lehetséges összetevők elemi állapotban vannak, kivéve a CO-t. A gömb energiavesztesége a hőmérséklet (Kelvin) negyedik hatványával és az effektív emisszió képességgel arányos, az utóbbit 10-4 - 10-3 nagyságrendűnek tételezzük fel. A sugárzási, konvektív, konduktív és kémiai energia veszteségeket kell fedezniük az alkotórészek elégésének. Egy további feltételt ad az égés sebességére a lebegés, amihez önszabályozó folyamatokat kellett találni. A nyilvánvaló, pl. a szén-dioxid → szén, a hidrogén → víz, alkotó elemek, az égéssel egyidejű disszociációján kivül, lényeges a villámok által keltett szabad gyökök, pl. a hidroxil gyökök keletkezése és rekombinációja magas hőmérsékleten: a folyamatok részben önszabályozó folyamatok a kínai spektrummérés hőmérsékletein, kihűlő plazma esetén.
A Yukawa porplazma a természetben gyakori jelenség, pernyéhez, füsthöz, meteorok égéséhez, UV sugárzáshoz köthető. A csatolási állandó, Γ = 50 -100 becslése, a felületi energiája miatt szükséges, mert a jelenség magyarázza a gömb alakot. A szemcsesűrűség, mint paraméter, és általában a bemenő paraméter tartományok megválasztásáról: az irodalomban elérhető sokféle modellből az marad érvényes, amelyik numerikus szimulációknál értelmes eredményt ad, pl. jó effektív felületi energia-együtthatót. A paraméterek lehetséges intervallumai, a lehetséges megoldások átfedése a valósággal -ami nem mérhető, csak közvetve- nagygépes szimulációs problémához vezetett. Nem tartjuk hetetlennek a gömbvillámok mesterséges előállítását.
A magas hőmérsékletű rendszer kihűlési folyamata a felmelegedés tükörképe. Ahogy a rendszer veszít a hőmérsékletéből (a környezet felé történő hősugárzás vagy hővezetés miatt), a korábban beállt kémiai egyensúlyok eltolódnak, és a disszociált gázok újra egyesülnek. (Fizikai, elektromos sérülés esetén a felületi energia gyors változása azonnali megszűnést okoz.)
Rekombinációs zóna és utóégés (3000 K ➔ 2000 °C): a kihűlés kezdetén a legfontosabb jelenség a hőtermelő rekombináció. Mivel a hőmérséklet a kritikus 3000 K-es csúcs alá esik, a korábban disszociált (szétesett) gázmolekulák újra összekapcsolódnak. A vízgőz és CO₂ újra egyesülnek, a szabad gyökök (–OH, H, O) és a szén-monoxid (CO) is újra egyesülnek oxigénnel. A folyamat erősen exoterm (hőtermelő). Az újjáalakulás során felszabaduló kémiai energia lassítja, stabilizálja a rendszer kihűlését. A disszociáció során korábban "eltárolt" látens hő visszatáplálódik a rendszerbe.
A stabil szén-dioxid és vízgőz zónája (2000 °C ➔ 1000 °C): 2000 °C alatt a gázfázisban a szén-dioxid és a vízgőz stabilizálódik, a szabad gyökök eltűnnek. A CO-égés lezárulása: a maradék szén-monoxid és hidrogén utolsó nyomai is teljesen elégnek (oxidálódnak), amíg van jelen szabad oxigén, a diffúz oxigén fluxusa irányítja a folyamatot.
A fémek visszahűlése: a redukált elemi fémek vagy alacsonyabb rendű oxidok: a fémek felülete elkezdhet visszaoxidálódni, de az adott áramlási sebesség szerint a fémek stabil, redukált formában szilárdulnak meg és hűlnek tovább. Ha a szilíciumgőzt oxigén jelenlétében hűtjük, a szilícium-dioxid kondenzációja (gázból folyadékká alakulása) 2230 °C alatt kezdődik meg, és 1713–1726 °C között szilárdul meg teljesen. Kémiailag tiszta szilícium-dioxidot ad, a végeredmény nem homok lesz, hanem egy finom, fehér, amorf szilícium-dioxid por (más néven pirogén kova vagy füstszilika). Ha a környezetben van oxigén, már gáz halmazállapotban (akár 3000 °C felett) elkezdődik a reakció, amely során először szilícium-monoxid, majd szilícium-dioxid gőz keletkezik, és a gőz elkezd folyékony cseppekké lecsapódni.1713 °C körül (a kvarc olvadáspontjánál) a folyadék szilárd fázisba megy át.
A heterogén reakciók lecsengése (1000 °C ➔ 400 °C): a hőmérséklet további esésével a gázok és a szilárd fázis közötti (heterogén) kémiai reakciók sebessége lelassul. A vízgáz-reakció megállása 700 °C-on, majd 400 °C alatt a megmaradt szénpernye és a vízgőz közötti reakció megszűnik. A szén már nem képes elvonni az oxigént a víztől.
Fizikai hűlés: a rendszerben már nem zajlanak érdemi kémiai átalakulások. A keletkezett égéstermékek (vízgőz, CO₂), a maradék co, a redukált fémek és a hamu tiszta fizikai hősugárzással és konvekcióval (áramlással) adják le megmaradt hőtartalmukat a környezetnek. Kondenzációs fázisban a gázkeverék 100 °C alá hűl, a rendszer eléri a fizikai fázisátalakulás határát, a vízgőz folyékony vízzé kondenzálódik. A reakciók súlyai az alkotórészek mennyiségeinek a függvényei. A korlátozott oxigén diffúzó miatt az égési és disszociációs folyamatok, továbbá a rekombináció a hőmérsékletet stabilizálizáló, visszacsatolt folyamatok.
Következtetések
A fizika elméletei úgy fejlődnek, hogy határesetben (közelítések esetén) tartalmazzák a korábbi, bevált elméletek eredményeit, az elvet korrespondencia-elvnek nevezzük. Amikor egy új, átfogóbb fizikai elmélet születik, nem teszi teljesen hamissá a régit, hanem kijelöli a régi érvényességi korlátait. Az általánosított leírásban a gömbvillám a külső elektromágneses tereket tekintve autonóm, anyagát tekintve inhomogén, az energiaveszteségeit kémiai égési folyamatok pótolják, az égési folyamat egy része önszabályozó.
A Yukawa porplazma kísérletek a napjainkban gyakoriak, a gravitáció hatását az elektromos terek felhajtó erejével egyenlítik ki. A leggyakoribb módszer, ahol 13,56 MHz-es váltakozó áramú elektromos teret kapcsolnak a kísérleti kamrára. Átalakítható a kísérlet szén, szilíciumporos fűtésre, pernyeporra, valamilyen gyújtással. Lehetségesnek látszik a gömbvillámok mesterséges előállítása, kellő óvatossággal. Az energetikai hasznosítása kérdéses, annak ellenére, hogy a mozgása légárammal szabályozható.
Irodalom
[1] Cen, J., Yuan, P., & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical Review Letters, 112(3), Article 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001
Cen, Jianyong; Yuan, Ping; Xue, Simin (2014. január 17.). „Gömbvillám optikai és spektrális jellemzőinek megfigyelése”. Physical Review Letters .112(3) 035001.Bibcode:2014PhRvL.112c5001C.doi:10.1103/PhysRevLett.112.035001.PMID24484145
[2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10676954/, John Abrahamson & James Dinniss: Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature, Volume 403, Issue 6769, pages 519–521., 2000. February 3.
[3] Google helyett a Gemini AI keresőgépét használtam.