A GÖMBVILLÁM EGY LEHETSÉGES LEÍRÁSA:
GÖMB ALAKÚ SARKI FÉNY
(2024 június)
ABSTRACT
A legegyszerűbb hipotézist kerestük: ismert és hasonló légköri jelenségek a koronakisülés és a sarki fény. A sarki fény színét ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. A koronakisülés is a levegő helyi ionizációja, szikra vagy ív nélküli nagyfeszültségű jelenség. Az elektromos szikrához, ívhez nagyobb feszültség szükséges mint a koronakisüléshez. Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter lehet, ami ionizálja az oxigént, nitrogént.
A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy a felhőből induló villámokhoz (a "szárazvillámok" -hoz is) másodlagos ioncsatornák tartoznak, melyek a Földről indulnak, nehezen észlelhetőek, összeomlanak, ha nem találkoznak egy felhővillámmal. A másodlagos ioncsatornák vélhetően az ionizált oxigén és nitrogén atomok, azaz a gömbvillámok ionfelhőinek a forrásai, feltéve, hogy stabilizálódik az ionfelhő.
A pozitív koronakisülések jelenségével magyaráztuk a gömbvillámok stabilitását, amikor az elektron lavina okozta ionizáció egyensúlyban van az ionok rekombinációjával. A gömb alakot az ionfelhő belsejébe áramló elektron lavinák okozzák. // A POSSIBLE DESCRIPTION OF A BALL LIGHTNING: A SPHERICAL AURORA, We were looking for the simplest hypothesis: corona descharge and auroral emission are known and similar atmospheric phenomena. The colour of the aurora is caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. The corona discharge is also a local ionisation of air, a high voltage phenomenon without spark or arc, the electric spark or arc and requires a higher voltage than the corona discharge. The atmospheric electric potential can be tens of thousands of volts per centimetre, which can ionise oxygen, nitrogen.
A phenomenon described in the physics of lightning is that lightning from clouds (also known as "dry lightning") has secondary ion channels that start from the Earth, are difficult to detect, and collapse if they do not encounter a cloud lightning bolt. Secondary ion channels are thought to be the source of ionised oxygen and nitrogen atoms, the ion clouds of the ball lightning, assuming that the ion cloud is stabilised.
The phenomenon of positive corona discharge has been used to explain the stability of the spherical clouds when the ionisation caused by the electron avalanche is in equilibrium with the recombination of ions. The spherical shape is caused by electron avalanches flowing into the interior of the ion cloud. The stability of the ball lightning is not explained by central forces.
BEVEZETÉS
A kutatás módja az internetes keresés, és az irodalmi források elemzése volt. A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata létezik, ezért a kutatás célja a legegyszerűbb hipotézis megtalálása volt. Egyszerű egy hipotézis, ha ismert jelenségeken alapul. A gömbvillámokat töltéssel rendelkező részecskék elektronok, ionok alkotják, bár sok hipotézis ritkán elő forduló részecskéket is feltételez. A gömbvillám légköri jelenség, ezért a feltételezésünk szerint a levegő ionjai alkotják a gömbvillámokat. A hasonló légköri jelenségeket tekintve vegyük észre, hogy a sarki fény a gömbvillámokhoz hasonló színű jelenség. A koronakisülés is hasonlóan színes, de gömbszerű légköri ionizációs jelenség, de az elektronforrás helyéhez kötött jelenség, további jellemzője a gyenge ívfény.
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem ritka jelenség, sok és nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör és a villámok fizikára 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 ionizálhatja az oxigént, nitrogént.
A hipotézisekben közös, hogy töltéssel rendelkező részecskéket feltételeznek, a tényleges különbség a részecskéket összetartó erőtér eredetében van. A legegyszerűbb hipotézisben elvetettük a centrális összetartó erők hipotézisét. A feltételezésünk szerint az ionok rekombinációja tart egyensúlyt az ionok halmazába befelé mozgó elektron lavinákkal. Hasonlóan, mint a koronakisülések egyik változatánál, a pozitív korona esetén. Az eddigi gömvillám hipotézisekben közös, hogy centrális erőterek, potenciál gödrök feltételezésén alapul a gömbvillámok stabilitása.
Az ionok forrásai: A villám egy felhő ioncsatornája, (léteznek "szárazvillámok" is) és egy villámnak van a Földről vagy repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatornája is: a "földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul kis lépésekben a pozitív előjelű elektromosság cikk-cakkos áramlása a felhő felé, de a felhőt sohasem éri el. A föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény (ami csak nagysebességű kamera felvételein észlelhető). A felhőből kiinduló csatorna általában fehér színű." (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). A Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna összeomlik, ha nem találkozik a felülről induló ioncsatornával, villámmal.
Az egyszerűség elv-ének megfelel, hogy ismert jelenségeket -a sarki fényt, a koronakisülést, a Föld felszínéről repülőgépekről induló és leszakadó ioncsatornát- hoztunk kapcsolatba. A pozitív koronakisülés ismert jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását, (amikor az elektron lavina egyensúlyban van az ionok rekombinációjával). Az ionfelhő belsejébe irányuló elektron lavinák okozzák a gömb alakot. Az elektron lavinák energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja.
Nincs vizsgálható ellenhipotézisünk, ezért egy ellenőrző meggondolás: az ionizált levegő (hideg plazmának is nevezik) legismertebb és leggyakoribb előfordulásai az északi fény és a koronakisülés (Szent Elmo tüze, https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire), melyek színes elektromos légköri jelenségek és az ionfizikájuk ismert, így keresendő egy nagyfeszültségű ionizált légköri jelenség, amely a gömbvillámok ionjainak forrása. Ha találunk megfelelő jelenséget, akkor megvan magyarázat, mert találtunk egy, a pozitív koronakisülés jelenségén alapuló stabilitási feltételt. A villámok földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású légszennyezésekről induló ioncsatornáit gondoljuk megfelelő nagyfeszültségű jelenségnek.
A SARKI FÉNYRŐL
A sarki fény töltött részecskéinek eredete: a napszéllel nagy energiájú elektronok és protonok közelednek a Föld felé, a földi mágneses mező ezeket a töltött részecskéket a pólusok felé irányítja, módosítja a részecskék irányát. A töltött részecskék követik a mágneses erővonalakat a felső légkörbe, gázatomokkal (főleg oxigénnel és nitrogénnel) ütköznek, az ütközések gerjesztik a gázatomokat (hideg plazma), ami fénykibocsátásra készteti a gázatomokat. A sarki fény színe a gáz típusától és attól függ, hogy milyen magasságban történnek az ütközések, pl. más az oxigén ionok színe nagy magasságban (zöld), és más alacsonyan (sárgás, ritkábban vörös).
Amennyiben színeket feleltetünk meg a hőmérsékletnek és a hullámhosszaknak 1800K és 5600K fok között, akkor:
Szinhőmérsékletek: (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)
A KORONAKISŰLÉSEK
A gömbvillámok fizikai modellezésére egy további és ismert jelenséget használunk, a koronakisülést, aminek a Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna lehet a forrása (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge). A koronakisülés a levegő helyi ionizációja, és a koronakisülés olyan helyeken keletkezik, ahol a vezető körüli elektromos mező (potenciálgradiens) erőssége meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát, az utóbbi függ a páratartalomtól. Gyakran kékes-vöröses izzásként látható a levegőben (Szent Elmo-tűz).
Két fajtája van, a pozitív és negatív koronák. A kétféle koronakisülés fizikai működése alapvetően eltér. Ennek oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege lényegesen különbözik, amikor az elektronok ütközéses ionizációt okoznak, és elég nagy feszültség különbségnél elektronlavinát okoznak. Pozitív koronában az összes elektron befelé mozog, az ionok pedig kifelé taszítódnak, a negatív koronában ellenkezőleg.
A korona fényét az okozza, hogy az elektronok pozitív ionokkal rekombinálódva semleges atomokat alkotnak, amikor az elektron visszatér az eredeti energiaszintjére, fotonokat bocsát ki. A fotonok más atomok ionizációját is okozzák, fenntartva az elektronlavinát. A negatív koronáknál "fürtök" jelennek meg, a megfigyelések szerint a gömbvillámok nem "fürtösödnek".
A pozitív korona egyenletes plazmaként jelentkezik. Kék-fehéren, ritkán vörösesen izzik, bár a fotonok többsége az ultraibolya tartományban van. A plazma egyensúlyát a másodlagos lavinaelektronok okozzák. A semleges gázmolekula ionizációjából származó nagy energiájú elektronok visszaáramlanak a plazmába, és folytatódik a plazmán belül a további lavinák kialakulásának folyamata, stabilizálják az állapotot, az elektonlavina egyensúlyba kerül a rekombinációval. A középpont felé irányuló elektron lavinák okozta ionizáció pótolják a távolodó, vagy semlegessé váló ionokat. Nincs más összetartó centrális erőtér.
A különbség a pozitív és negatív koronák között a másodlagos elektronlavinák keletkezése tekintetében az, hogy a pozitív koronában ezeket a plazmaterületet körülvevő gáz hozza létre, az új másodlagos elektronok befelé haladnak.
A pozitív koronában kisebb a szabad elektronok sűrűsége; talán ezredrésze az elektronsűrűség, és századrésze az elektronok teljes száma. A pozitív koronában az elektronok a felszínhez közel, a nagy potenciál gradiensű régióban sűrűsödnek, de az elektronok nagy energiával rendelkeznek. A pozitív koronát egy külső ionizációs potenciál indítja el a nagy potenciál gradiensű régióban, amely az ionizációból származó elektronokat vonzza, a pozitív ionokat pedig taszítja. A beáramló elektronok az ütközések során további molekulák ionizálódnak, elektron lavina alakul ki. Pozitív koronában a további lavinákhoz szükséges másodlagos elektronok a plazmában a lavinaterületen kívüli régióban keletkeznek. A plazmából kibocsátott fotonok által okozott ütközéses ionizációnál felszabaduló hőenergia fotonokat is létrehoz.
A negatív koronában az új másodlagos elektronok kifelé haladnak. A negatív koronák szerkezetének további jellemzője, hogy az elektronok kifelé sodródva, amikor semleges molekulákkal találkoznak, az elektronegatív molekulákkal (például oxigénnel, nitrogénnel és vízgőzzel) egyesülve negatív ionokat hoznak létre. Ezeket a negatív ionokat a pozitív ioncsatorna vonzza, így zárva be az "áramkört".
A negatív korona nem egyenletes plazma. Gyakran a korona éles széleinél fürtök jelennek meg, a fürtök száma a térerősséggel változik. A negatív koronák formája a másodlagos lavinaelektronok forrásából ered. Az elektronok kisodródhatnak az ionizált tartományból, és így a plazma az ionizált tartományon túl is folytatódik, fürtösödik. Az elektronok teljes száma és az elektronsűrűség sokkal nagyobb, mint a megfelelő pozitív koronában. Az elektronok alacsonyabb energiájúak, mert alacsonyabb potenciálgradiensű tartományban vannak. Ezért a nagyobb elektronenergiát igénylő reakciók alacsonyabb sebességgel mennek végbe. A negatív koronák felépítése összetettebb, mint a pozitív koronáké. A pozitív koronákhoz hasonlóan a korona létrejötte egy primer elektront generáló külső ionizációs eseménnyel kezdődik, amelyet egy elektronlavina követ.
A semleges gázból ionizált elektronok nem hasznosak a negatív koronafolyamat fenntartásában, másodlagos elektronokat generálnak további lavinákhoz, mert az elektronok mozgása a negatív koronában az ioncsatornából kifelé irányul. A negatív korona esetében a másodlagos elektronokat létrehozó meghatározó folyamat a fotoelektromos hatás lenne a Föld felületén. Az elektronok felszabadításához szükséges energia a felületen lényegesen alacsonyabb, mint a levegő ionizációs energiája normál hőmérsékleten és nyomáson. Az energiaforrása a nagy energiájú fotonok sokasága, amelyek egy korábbi ütközésből származó gerjesztés során a plazmatestben keletkeznek. Az ionizációt csökkenti a felületi pozitív ionok nagy koncentrációja.
A különbség tehát a pozitív és negatív koronakisülések között a másodlagos elektronlavinák keletkezése tekintetében az, hogy pozitív koronában ezeket a plazmaterületet körülvevő gáz generálja, az új másodlagos elektronok befelé haladnak, míg negatív koronában az új másodlagos elektronok kifelé haladnak.
*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.
- 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 részben szennyezések.
