Villámcsapás vagy elővillám és lebegő pernye → plazmagömb
Összefoglalás
Amikor belecsap egy villám a talajba, lebegő pernye és ritkán gömbvillám is keletkezik. A lebegő pernye más okokból, máshol -pl. repülőgépeken- is előfordul, gyakori jelenség. A lebegő pernye szemcsemérete a 0,1 és 250 mikrométer (µm) közötti tartományba esik, a legnagyobb tömegű frakciója általában a 20 és 25 µm közötti mérettartományban található. Két gyakori mérete: a finom frakció 0,5–0,6 µm környékén, és a durvább frakció 20–25 µm, néha 10–30 µm is. Gömbvillámok esetén a 0.5 - 1 µm- nél kisebb méretű pernyeszencsék lényegesek, mert nem ülepednek ki, lebegnek. A 20–30 µm-esek a szénszemcsék szétaprózódásából származnak. A pernyék anyaga főleg szilícium-, aluminium-, magnézium- és kalciumoxidok, és korom-, szészemcsék. A jelenleg legelfogadottabb szilíciumos modell gömbvillám méretű nanováza nem lebeg, leesik.
Ha a vonalas villám vagy egy felszíni elővillám (az utóbbi egy láthatatlan villám féle, streamerang, így legalább két féle gömbvillám létezik a keletkezés szerint), a lebegő forró pernyében található éghető anyagot, szénport, koromszemcséket begyújtja, akkor átlagosan 2000 - 4000 Kelvines plazma, gömbvillám alakul ki, ami ritka jelenség. Új gömvillám modellt találtunk, ismertetjük.
A pernye széntartalmának az égése oxigén hiányos környezetben történik, az égés az energiaveszteségeket pótolja. A kémiai égés már egy, a villámok által ionizált és 3000–4000 K-re felfűtött közegben indul be, történik. A felfűtést a villámok, a streamefejek végzik. A kémiai reakcióhő nem a nulláról fűti fel a rendszert, de pótolja a magas hőmérsékleten fellépő energiaveszteségeket. Az éghető plazmának a tulajdonságait, kihűlését, gyújthatóságát, stabilitását, energiamérlegét vizsgáljuk: Pkémiai = Psugárzás + Pkonvektív + Pkonduktív + Pegyéb .
A megfigyelések kb. egy harmadában a villámcsapás nem közvetlenül idéz elő a gömbvillámokat. A villámcsapások helyeiről szinte minden esetben indul fel elővillám (streamer, upward streamer). A láthatatlan elővillámokból, ritkán koronakisűlésekből* jönnek létre a gömbök. A lebegő pernye gyújthatósága 700-800 Kelvinen van. A földi elővillámok csúcsa, a streamerfej magas elektron hőmérsékletű, míg a gáz a streamerfejben általában hideg, de a benne mozgó elektronok energiája magas, több tízezer Kelvin fokos. Streamerek esetén is, ritka esetekben, a streamerfej mögötti csatorna képes lehet a gázmolekulákat 3000–4000 Kelvinre felmelegíteni, nagy elektromos térerősség esetén. Ha a lebegő szénpor koncentrációja eléri az éghető koncentrációt, a streamerfej elektromos kisülése képes begyújtani a pernyét, amikor elegendő a szénpor minimális gyulladási energiájához (ami kb. 30–100 mJ).
Elektronhőmérséklet vs. gázhőmérséklet: alapesetben a streamerfej egy nem-termikus (hideg) plazma. Ahhoz, hogy a gázmolekulák is felmelegedjenek 3000–4000 Kelvinre, tartós térfeszültség szükséges. A molekulák melegedését az elektromos tér által gyorsított részecskék ütközései okozzák, ami nanoszekundumok alatt képes a gázhőmérsékletet több ezer Kelvinnel megemelni. A lokális hőmérséklet eléri a 4000 Kelvint.
A plazmában (levegő és pernye) lévő elektronok és ionok Debye-árnyékolást hoznak létre, az árnyékolás a Coulomb-potenciált Yukawa potenciállá alakítja, ami a plazmát folyadékszerű, erősen csatolt állapotba, Yukawa-porplazma állapotba kényszerítheti. Kis méretű, 1 µm alatti szemcseméretnél a gravitáció hatása elhanyagolható, nem ülepednek ki a szemcsék. A felületen fellépő aszimmetrikus erők, a szabadenergia miatt felületi feszültség keletkezik, amely a plazmatömeget, a szabadenergiát minimalizálva összehúzza a legkisebb felületű geometriai alakzatba, egy gömbbe. Tehát az erősen csatolt, kondenzált Yukawa-porplazmában a kollektív kölcsönhatások és az effektív felületi energia gömb alak kialakulását eredményezhetik, ami lehetséges magyarázat a gömbvillám közel gömb alakjára. A porszemcsék lebegtetését a plazmában a kis méretük biztosítja, amihez nincs szükség külső elektromos térre, mert a szemcsék a saját elektrosztatikus (Yukawa) taszításuk miatt stabilan megmaradnak egymás közelében, de a plazma ionizációjához szükséges, hogy legyenek szabad elektronok.
A gömb energiaveszteségeit, stabilitását kémiai fűtés biztosítja (szén, de több féle anyag égése lehetséges a hőmérséklet függvényében). Az egyenletes égéshez, lebegéshez, fel kell tételezni, hogy az oxigénfluxus elegendő a megfigyelt néhány másodperces, néhány 10 másodperces élettartamhoz. Az égés közel állandó hőmérsékletét a szén-dioxid, a vízpára, és a szabad gyökök rekombinációi biztosítják, melyek negatív visszacsatolásos jelenségek, 3-4000K-en tartják a gömböt.
A Yukawa-porplazma a természetben gyakori jelenség. A gömbvillámot alkotó talajmenti elemek (szén, szilícium, vas, kalcium) átlagos hőmérséklete a magban 4000 Kelvin körül mozogott egy vonalas villám megfigyelésnél, a külső, folyamatos spektrumú gömbrészeknél pedig csak 2700 Kelvin volt.
Gyújtási hőmérséklet + poros lebegő pernye → Yukawa-porplazma
Nem nyilvánvaló, hogy egy villám keltette pernyében van éghető anyag, és hogy a villám be tudja gyújtani a pernyét, de előfordul a jelenség. A földi elővillámok gyakran ott alakulnak ki, ahol egy vonalas villámcsapás lecsappott. Majd egy streamer -vagy egy Szent Elmo tűz*, ami átalakulhat streamerré- miatt a korábban keletkezett éghető pernye begyulladhat. Mivel a felfelé törő elővillámban van egy plazmacsatorna (az ütközések miatt, a hőmérséklete ritkán eléri az 1000-4000 Kelvines tartományt, de az elektronok 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 fejben és a közvetlen környezetében lévő szemcsék, szénszemcsék anyagát ritkán 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 az izzó szénporos plazma, Yukawa-plazma (Yukawa-folyadék) kialakul, egy vegyes anyagú plazmamodellel írható le a kialakuló rendszer, ahol a kémiai égés energiája beépül a plazma egyensúlyi rendszerébe. Modellezési hiba az éghető anyagok közül csak egy elemet, vegyületet figyelembe venni, -pl. csak a szenet-, a helyes állítás: a kémiai égés pótolja a plazma veszteségeit az éghető anyagokkal a Yukawa-porplazmában.
Kémiai égés → Stabilitás → Lebegő plazma
A földi elővillám csatornájában a szabad elektronok és ionok rátapadnak a lebegő szénpor-, korom-, és más szemcsékre. Mivel a szénszemcsék a gázmolekulákhoz viszonyítva nagy méretűek, óriási, akár több ezerszeres negatív elektromos töltést képesek összegyűjteni. A lehetséges kiülepedés a szemcseméret nagyságát korlátozza. 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 felületi energiája van aszimmetrikus 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, amihez feltehetően kevés az állandó kis oxigénfluxus. Lehetett találni olyan önszabályozó folyamatokat, amelyik stabilizálják a plazma hőmérsékletét. A plazma természetes hűlési és elektromos veszteségeit a párából származó szabad gyökök (pl. a CO ↔ CO2 hidroxil, az -OH gyökök és a vízpára egyensúlya) felületi rekombinációja és kémiai oxidációja is fedezik. 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 3000 Kelvin környékén.
(AI Gemini)
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.
Disszociáció és gyökképzés: Amikor a rendszer eléri az 50%-os rekombinációnál az önszabályozott egyensúlyi hőmérsékletet, a gázfázisú disszociáció lelassul, és a rekombinációs folyamatok erősödnek. 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 az égés, a plazma nem hűl ki azonnal, hanem másodpercekig szabályozott módon fennmarad és lebeg a környező hideg levegő sűrűségkülönbsége szerint. A szén és a vízgőz gyökei elégnek és gázzá alakulnak, amikor az égés megszűnik. A magas töltésű ásványi és szén szemcsék alkotják a Yukawa-rácsot, amely a plazma felületi energiáját, és a vezető képességét 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, fémoxidok) mikroszkopikus szemcséi nagy negatív töltést gyűjtenek össze. 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 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 szemcsék (szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxid és kalcium), fa szervetlen részei. A pernye alkotja a Yukawa-modell töltéshordozó szemcséit. Az 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. A visszacsatolásos, 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 -igen speciális erőtereket kéne feltételezni, sőt a centrálison kívül nincs megfelelő-, továbbá hogy megfeleljen a mért eredményeknek, megfigyeléseknek.
A gömbvillám látszólag ok nélkül, a semmiből is keletkezik: lehetséges gyújtása a láthatatlan streamer -aminek az oka lehet koronakisűlés is, melyek külső elektromos erőteret feltételeznek. Fontos tulajdonság, hogy a keletkező gömbvillámot erőterek, a villámok fűtik fel az egyensúlyi állapotig. A villámok negatív differenciális ellenállású kisülések, külső erőteret feltételeznek. Amikor a villámcsatorna instabillá válik és örvények keletkeznek, a negatív differenciális ellenállás helyein olyan nemlineáris elektromos folyamatok mehetnek végbe, amelyek begyújtanak egy önfenntartó plazmagömböt. Lebegéséhez, stabilitásához pedig már szénre, és szabályozott égésre, energiapótlásra 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.
1. ábra. Egy gömbvillám spektruma [1]
Modell paraméterek: 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 (Szimulációs modell. Gemini)
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 104 K körüli.
A porszemcsés Yukawa-fázis effektív felületi energia-együtthatója, aminek "felületi feszültség" a szerepe a modellben:
γ ≈ 10-4 - 10-5 N/m körüli.
Lebegési és élettartam paraméterek, hőmérleg:
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 opálos, azaz valamennyire átlátszó gáz- vagy plazmaképződmény. 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 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 és a CO 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. pernye 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 1. , Gemini) 1 μm-es szemcseméretnél (a gravitáció elhanyagolható)
- Egy szemcse tömege: Mivel az átmérő az 1/5-ére csökken, egyetlen gömb alakú porszemcse térfogata és tömege a 125-öd részére esik vissza.
- Szemcsék száma Ahhoz, hogy a teljes pernyetömeg változatlanul 15g maradjon, a szemcsék számának a 125-szörösére kell növekednie: a nagy szemcseszám egy sűrű, homogén porplazma fázist eredményez a gömb belsejében.
- Ha a sugár az 1/5-ére csökken, egy szemcse egyensúlyi töltése is az 1/5-ére esik vissza:, 200 e-re.
- Összesített kötött elektronszám: Bár egy szemcsén kevesebb a töltés, a rengeteg szemcse miatt a plazmában megkötött elektronok száma jelentősen 25-szörösére nő.
- Az átmérő 5-szörös csökkentésével az ülepedési sebesség a 25-öd részére csökken!
- Egy 1 μm -es pernyeszemcse végsebessége a forró levegőben elhanyagolhatóan kicsi (mindössze néhány tized milliméter másodpercenként), a minimális mozgást az adott hőmérsékleten a belső hőkonvekció és a Brown-mozgás játszva felülírja.
A szemcsék sokkal közelebb kerülnek egymáshoz (a sűrűségük megnőtt), a köztük lévő átlagos távolság az 1/5-ére csökken. Bár a szemcsénkénti töltés kisebb, a kis távolság miatt a Coulomb-féle taszító energia és a termikus energia aránya, Γ magas, egy még tömörebb, stabilabb, makroszkopikusan folyadékszerűen viselkedő halmazállapotot (erősen csatolt plazmát) vesz fel, ami tökéletesen összetartja a 30 cm-es gömbi struktúrát. A számítások szerint az 1 μm -es szemcseméretre való átállás nemcsak a mechanikai lebegést segíti, hanem a gömbvillám plazmafizikai és kémiai stabilitását is gyökeresen megváltoztatja. Az alábbiakban bemutatom a pontosított Debye-hosszat, a felületi feszültséget és a szén égéskinetikáját:
Mivel a szemcsék száma a 125-szörösére nőtt, a porplazma töltéshordozó-sűrűsége megemelkedik. A Debye-hossz (a plazma leárnyékolási távolsága) fordítottan arányos a töltéssűrűség négyzetgyökével. megnövekedett elektronszám és szemcsesűrűség miatt a Debye-hossz lecsökken, és 7 - 10 μm közé áll be (szemben a korábbi 35–45 μm-rel). Ez azt jelenti, hogy a plazma sokkal "keményebb", az elektrosztatikus árnyékolás sokkal kisebb skálán valósul meg, ami stabilabb belső rácsszerkezetet (Yukawa-folyadékot) biztosít. Az effektív felületi feszültség: A sűrűbb szemcse-eloszlás növeli a kohéziós erőket a plazma határfelületén. A felületi feszültség szerepét betöltő együttható megemelkedik: 10-3 - 10 4 N/m nagyságrendűvé válik. Ez a megerősödött "felületi hártya" még hatékonyabban tartja egyben a 30 cm-es gömbformát a külső légáramlatokkal szemben.
A 0,3 gramm szén fajlagos felülete a 5-szörösére növekszik. Alapesetben a nagyobb felület robbanásszerű gyors égést okozna, ami milliszekundumok alatt felemésztené az üzemanyagot, ha van elég oxigén, tönkre téve a 20–40 másodperces élettartamot. A fizikai környezet azonban tartalmaz egy automatikus fékező mechanizmust, ami fenntartja a lassú égést:
- Diffúzió-kontrollált égés (Levegőhiány): Mivel a gömb belsejében a porplazma sűrű folyadékfázist alkot, az oxigénmolekulák nem tudnak szabadon áramlani (nincs turbulens keveredés). Az oxigénnek a külső rétegekből kell befelé diffundálnia a sűrű Yukawa-plazmán keresztül.
- Önszabályozó fojtás: A 3000 K-es maghőmérsékleten a szén és oxigén reakciója azonnal lezajlik a szemcsék felületén, CO és CO₂ gázt termelve, a helyben keletkező forró gázfelhő "leárnyékolja" a szemcséket a friss oxigén elől.
- Tehát: az égés sebességét nem a szén felülete, hanem a gázdiffúzió sebessége határozza meg a plazma határrétegén keresztül. Így az 1 mikrom-es szemcsék esetén is tökéletesen tartható a 260 W-os szabályozott teljesítmény és a 20 - 40 másodperces élettartam.
A paraméterek "hangolása" (szimulációs modell 2., Gemini)
Kémia és Oxigénellátás: ha a 1,4 grammos pernyefelhő széntartalma arányosan 0,03 grammra csökken, szénnek az égéshője 982 Joule energiát biztosít. Az oxigén igény 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
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 redukciót indít el. A modell szerint a szén redukálja a szilícium-dioxidot a kis oxigén fluxusnál 1500 Kelvin felett, aminek hatására tiszta szilíciumgőz keletkezik. Ahogy a forró szilíciumgőz hűl, az anyag kicsapódik (kondenzálódik), és nanométeres méretű szilíciumgömböcskék (nanorészecskék) permetévé alakul. A felületi töltések és erők hatására ezek a nanorészecskék láncokká, majd egy laza, könnyű, vattaszerű, szabályos gömbbé állnak össze, miközben sűrűsége nagyobb a levegőnél, ezért a nanováz leesik, bár a szerzők szerint lebeghet.
Probléma, hogy a gömbvillámok az esetek 25-33 %-ában a semmiből keletkeznek, pl repülőgépen.
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: 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. Bármelyik fém elektróda hasonlóan viselkedik nagy áramok esetén, részecskék szakadnak ki.
A kémiai - plazmafizikai modellezés további problémái
≈ 4000 Kelvines hőmérsékleten a lehetséges összetevők elemi állapotban is 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, részecske 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, az 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, ilyen a fő folyamat, a szén-dioxig rekombinácója is.
A Yukawa porplazma a természetben gyakori jelenség, pernyéhez, füsthöz, meteorok égéséhez, UV sugárzáshoz köthető. Az erős 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. Mert mérések hiányában szimulációkra vagyunk utalva.
A magas hőmérsékletű rendszer kihűlési folyamata a felmelegedés tükörképe közelítőleg. Ahogy a rendszer veszít a hőmérsékletéből (a környezet felé történő hősugárzás, hővezetés miatt), a 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 már nem disszociálnak, 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 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 kihűlés: 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), kondukcióval (hőátadással) 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.
Következtetések
A modellben a gömbvillám a külső elektromágneses tereket tekintve autonóm, anyagát tekintve inhomogén lebegő pernye, az energiaveszteségeit kémiai égési folyamatok pótolják, az égési folyamatok egy része önszabályozó.
A Yukawa porplazma kísérletek a napjainkban gyakoriak, a gravitáció hatását az elektromos terek felhajtó erejével egyenlítik ki. Átalakítható a kísérlet szénporos fűtésre, lebegő pernyeporra, valamilyen gyújtással. Lehetségesnek látszik a gömbvillámok mesterséges előállítása, kellő óvatossággal.
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.
*
Szent Elmo tüze (koronakisülés): amikor a vihar közeledtével a térerősség eléri a kritikus szintet (kb. 100 kV/m), a hegyes, kiálló tárgyak (hajóárbócok, repülőgép-szárnyak, villámhárítók) csúcsainál a levegő ionizálódik, és folyamatos, kékes-lila derengéssel és sercegő hanggal járó koronakisül, ami stabil és nem vezet villámcsapáshoz. A koronakisülés átalakulhat streamerré (elővillámmá): ha a zivatarfelhőből elindul lefelé a fő villámcsatorna (az úgynevezett lépcsős elővillám vagy stepped leader), a talaj közeli elektromos térerősség hirtelen drasztikusan megugrik. Ekkor a Szent Elmo tüzét tápláló stabil koronakisülés instabillá válik, és átalakul egy gyorsan növekvő, felfelé törekvő plazmacsatornává, vagyis egy streamerré (felfelé induló elővillámmá). Repülőgépen a szélvédőn áthatoló Szent Elmo átalakulása streamerré és gömbvillámmá, szakszerű leírás : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136468262100208X
**
Gondolatkísérlet: Elegendő szabad elektron jelenlétében 200nm lebegő szén-, korom- és pernyeszemcséket lézerfénnyel begyújtunk, és a Yukawa-porplazma nem akar gömbalakot felvenni, miért?
A lézeres izzítás hatására a szénszemcsékből nyalábok, és termikus elektronemisszió is indulhat (az izzó szén elektronokat bocsát ki), ami megváltoztatja a szemcsék nettó töltését és a környező plazma potenciálját. Ha a plazmában lokális elektromos áramok futnak (akár a lebegtető tér, akár az izzítás miatti töltésszétválás miatt), az ionok elkezdenek áramlani a szemcsék között. Az áramló ionok magukkal rántják a porszemcséket, és szemcsék mögött kialakuló pozitív ioncsóvák miatt a porfelhő hajlamos függőleges/irányított fonalakká, láncokká rendeződni a gömb helyett.
Mit lehet tenni a gömb alak kikényszerítésére (Gemini)?
- Optikai csapdázás: egy lézernyaláb helyett három egymásra merőleges, szembefordított (ellenfutó) lézernyaláb-párt (összesen 6 nyalábot) kell alkalmazni, vagy egy gyorsan pásztázó lézerrel egy 3D-s optikai potenciálvölgyet (csapdát) létrehozni, ami minden irányból egyformán tartaná meg a felhőt.
- Elektrosztatikus kvadrupól csapda (Paul-csapda): ha a plazmakamrába egy gömbszimmetrikus vagy kvadrupól váltakozó áramú (RF) elektromos mezőt vezetünk be, az képes a töltött nanorészecskéket egyetlen központi pont felé kényszeríteni, ami felülírja a gázáramlások torzító hatását.
- A lézerek intenzitásának csökkentése: ha az izzítást éppen csak a detektálhatósági/ionizációs határon tartjuk, csökkenthető a torzító gázáramlás.
- Elektrosztatikus kvadrupól csapda (Paul-csapda): ha a plazmakamrába egy gömbszimmetrikus vagy kvadrupól váltakozó áramú (RF) elektromos mezőt vezetünk be, az képes a töltött nanorészecskéket egyetlen központi pont felé kényszeríteni, ami felülírja a gázáramlások torzító hatását.
- A lézerek intenzitásának csökkentése: ha az izzítást éppen csak a detektálhatósági/ionizációs határon tartjuk, csökkenthető a torzító gázáramlás.
A kísérlet igazolná, hogy
- A pernye/szénpor ténylegesen begyullad egy streamer energiájával.
- A létrejövő porplazma erősen csatolt Yukawa-rendszer.
- A Yukawa-kölcsönhatásból valóban makroszkopikus, stabil, gömbszerű objektum és effektív felületi feszültség következik.
- A Yukawa-kölcsönhatásból valóban makroszkopikus, stabil, gömbszerű objektum és effektív felületi feszültség következik.