A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA

 
 
 
A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
 
 
 
(2024 június)
 
 

 


 
ABSTRACT
A gömbvillámhoz hasonló légköri jelenségek gázok ionizációjával kapcsolatosak: a parázsfény, az ívfény és a sarki fény. A jelenségek színét ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. A  koronakisülésnek, a parázsfénynek -amit a levegő helyhez kötött ütközéses ionizációja okoz, más néven Szent Elmo tüze-, továbbá az ívfénynek is az oka a plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, zérus feszültségnél nem létezik) állapota, amit a gömbvillám stabilitási feltételének tekintünk. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor nő az áramerősség, azaz az ionok száma, amit a megmaradási törvények korlátoznak.
A gömbvillám kialakulása: az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter is lehet, ami ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes ioncsatornák. Nehezen fotózhatóak, csak a nagysebességű kamerák felvételein észlelhetőek, és nem a felhővillámok részei. A Földről induló, helyhez kötött ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják, azaz a gömbvillámok  forrásai a feltételezésünk szerint. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, létre jön az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, parázsfényként, koronakisülésként ismerjük, ami a gömbvillám felületén is jellemző. A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizáció-t okoznak. A folyamat önmagát gerjeszti, és létrejön egy negatív ellenállású állapot, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását: a csatorna függetlenné válik a külső feszültségtől és a földfelszíntől, kialakul egy gömbvillám, ami egy olyan negatív ellenállású állapot, amit már a termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeg. 
Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok  stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió, ami a felfújódó gömb alak oka. A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén rekombinálódnak az ionok.
A kutatás iránya most olyan kisérlet, olyan lehetséges megfigyelés meghatározása, amellyel igazolható az elmélet. // DESCRIPTION OF THE BALL LIGHTNING:  Atmospheric phenomena similar to the ball lightning are related to the ionization of gases: the glowing glow, the arc glow and the auroral glow. The color of these phenomena is caused by ionized oxygen and nitrogen atoms. The corona discharge, the glow, caused by the stationary collisional ionisation of air, also known as St. Elmo's fire, and the arc light are also due to the negative resistivity (dynamic resistance, non-existent at zero voltage) state of the plasma, which is considered to be the stability condition of the spherical lightning. In the negative-resistance state, as the voltage decreases, the current, i.e. the number of ions, increases, which is limited by the conservation laws.
The formation of a ball lightning: the atmospheric electric potential can be tens of thousands of volts per centimetre, which ionises oxygen and nitrogen in the air. A phenomenon described in the physics of lightning is the existence of coloured ion channels emanating from the Earth. They are difficult to photograph, can only be detected in high-speed camera images, and are not part of cloud lightning. The stationary ion channels from Earth are composed of ionised oxygen and nitrogen atoms, which are thought to be the source of the globular lightning. If the atmospheric pressure is sufficiently high, and if a sufficient number of ions have been created, a negative-resistance state of the ion channel is created, known as a glowing ember, a corona discharge, which is also present at the surface of the ball lightning. In corona discharge, electron avalanches cause collisional ionisation. The process is self-excited and a negative resistive state is created, which increases the intensity of the electron avalanches even at decreasing voltages: the channel becomes independent of the external voltage and the ground surface, forming a spherical lightning, a negative resistive state already characterized by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the particles, the plasma floats freely.
The negative resistance phenomenon of arc light is the explanation for the stability of the ball lightning. Thermal emission is most intense in the centre of the sphere, which is the cause of the inflating spherical shape. The surface has a lower temperature, is characterised by glowing embers, and the ions recombine at the surface.
 
 
 
 
 
 
BEVEZETÉS
A kutatás eszköze az internetes keresés volt, egy szép kis demo-videó: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE. A gömbvillámoknak a fizika sok témakörét lefedő, számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, nincs általánosan elfogadott leírása a gömbvillámoknak, egy légköri jelenség. A feltételezésünk szerint a levegő ionjai és elektronok alkotják a gömbvillámokat, a gázkisülések jelenségeivel leírhatóak. 
 
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem gyakori jelenség, sok, de általánosan nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör- és a villámfizikára 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 ionizálja az oxigént, nitrogént. Az irodalmi hipotézisekben tényleges különbség a töltött részecskék minőségében és az őket összetartó centrális erőterek eredetében van.
 
A koronakisülés egy hasonló, színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, az ionjainak forrása a természetben helyhez, a Föld felszínéhez, esetleg pl. árbócokhoz kötött. Jellemzői a parázsfény, az elektron lavinák, a negatív ellenállás. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges. A parázsfény esetén elektronlavinák okozzák az ionizációt, és a negatív ellenállás jelenségét is. A negatív ellenállás kis feszültségen nem fordul elő. A parázsfény (a gyújtási feszültségnél) nagyobb feszültségeknél ívfénnyé alakul laboratóriumi körülmények között. A parázsfény a természetben nagysebességű kamerák felvételein rögzíthető, hegyes fémtárgyak, esetleg árbócok csúcsain látható, nem gyakori jelenség.
 
 
Upwards streamer from pool cover
 
 
Földhöz (medence tetőhöz) kötött ioncsatorna, parázsfénnyel (Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
 
 
GÁZKISÜLÉS LEVEGŐ ESETÉN
A levegő gyújtási feszültségénél kisebb feszültségen megjelenik a parázsfény, amit elektronlavinák jellemeznek. A levegő gyújtási feszültségénél nagyobb feszültségnél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, ami az ívfény jellemzője. A plazmában, meleg plazmának is nevezik, többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet,
 
 
slide 8
 
A függőleges tengelyen az áram logaritmusa, Amperben (https://www.vilaglex.hu/Fizika/Html/Gazkisul_.htm)
 
Ahol egy kis feszültség csökkenéshez (- Δ U -hoz) pozitív Δ lg I áram tartozik, (az lg tízes alapú logaritmust jelöl) ott a karakterisztikának egy "negatív ellenállású" szakasza van. Az első negatív ellenállású szakasz az "átmeneti szakaszban" található, ahol az áramerősség nem nő korlátlanul, mert a magas hőmérsékletű pozitív ionok képzése energiaigényes folyamat. A gyújtófeszültséget megelőzi egy nehezen megmagyarázható pozitív ellenállású szakasz.
A második negatív ellenállású szakaszban a növekvő áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák. A gömbvillámok rövid idejű (≈ néhány 10 másodperc) stabilitását a második, negatív ellenállású szakasz magyarázza. A termikus ionizációval a rekombináció tart egyensúlyt. A negatív (differenciális vagy dinamikus) ellenállás plazmákban, félvezetőkben értelmezett jelenség, előfeszített terheléseknél fordul elő, azaz U ≈ 0  feszültségnél nem jön létre.  
 
Az elektromos kisülés feszültség-áram összefüggése: az önfenntartó kisülést kezdetben elektron lavinák jellemzik. Kisebb feszültségnél fényemisszió nélkül (átmeneti szakasz, sötét kisülés), aztán parázsfényes kisülés következik, ütközéses elektron lavinákkal. A parázsfényhez növekedő árammal csökkenő feszültség, negatív ellenállás tartozik, a természetben egy ioncsatorna, ami még nem gömbvillám. A folyamat a természetben légköri nyomáson történik. 
 
 
A GÖMVILLÁM LEÍRÁSA
A forrásai a földfelületről induló, nehezen észrevehető  ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínéről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat. A csatornák nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció, gázkisülés a jellemzőik. Az ioncsatornát koronakisülés, (parázsfény, Szent Elmo tüze), elektronlavinák, és negatív ellenállás jellemzik (https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire, hideg plazma).
 
Az ioncsatorna elegendően nagy légköri feszültségnél ívfénnyé alakul, melyet hasonlóan negatív ellenállás, de termikus elektronemisszió jellemez. Az ívfény esetén a csatorna  a Föld felszínétől elszakad, és néhány 10 másodpercre stabil jelenség jön létre, a megmaradási törvényeknek megfelelően. Magas (közel 10 000 Kelvin fokos) hőmérséklet, felfújódás, rekombináció és a felületén parázsfény jellemzi a gömbvillámot. A Földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású más helyekről induló ioncsatornák a forrásai a gömbvillámoknak. Megszakad az ioncsatorna kapcsolata a talajjal, az ionforrással, a lebegő gömbvillámhoz nem szükséges a továbbiakban a légköri feszültségkülönbség, ha a hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához. Felfújódó gömb alak és negatív ellenállás jellemző a gyújtásfeszültség felett, a felületen rekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
 
A gömb mérete, térfogata, nyomása, és az ionok száma lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében (egyensúlyi állapot). A nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó, de a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben is, a hőveszteség miatt. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék rekombinálódnak, és a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb. A hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának, melyek a felületéről visszaáramlanak, mert az ellenkező esetben nyomáskülönbség jönne létre. Kívülről az ívgömb semleges, az inonizációból következik, hogy az elektronok és az ionok száma kb. azonos (https://hu.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93H%C3%BCckel-elm%C3%A9let). Közelítőleg, mert az elektronok ötször mozgékonyabbak, a szabad úthosszal mérve.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció, a felületén a rekombináció a jellemző. A hőveszteség, a hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása a félsugárig, környékén maximumot mutathat annak függvényében, hogy a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák milyen távolságig jutnak be kívülről, a felületéről. A rekombinálódott levegőmolekulák az ívgömb belsejébe mozognak, az ellenkező irányú mozgásuk a atmoszferikus nyomást megváltoztatná. Ezért a nemkonvektív energiaveszteség jellemző, hanem a sugárzó veszteségek. A levegő rossz hővezető képessége miatt a konduktív veszteség is viszonylag kicsi.
A gömbvillámon belül az elektronok és a pozitív ionok szabad úthosszai a meghatározóak, az elektronoké kb. 5.5 -szörös. Az ütközések csökkentik az elektronok, ionok energiáját, az ütközésekből származó energiaveszteség lassítja a részecskék mozgását negatív ellenállás esetén is. (Az ionok mozgása szupravezetés -azaz zérus ellenállás- esetén is kutatás tárgya: https://www.popularmechanics.com/science/a62121695/edge-state-atoms-energy-transmission/)
 
 
 
 
 
 
*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.
- https://www.eskimo.com/%7Ebillb/tesla/ballgtn.html,
- 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).
- Nicola Tesla talán előállított gömbvillámot (https://en.wikipedia.org/wiki/Colorado_Springs_Notes,_1899%E2%80%931900), nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás eszközökkel kísérletezett. 
- A Max Planc Intézetben (https://phys.org/news/2006-06-physicists-ball-lightning-lab.html) nagy áramerősségű ívvel állítottak elő plazmát, de rövid időre, a gömbvillámok élettartamához viszonyítva.
- Brazil, újzélandi kutatók szilícium elpárologtatásával kisérelték meg           az előállítását (https://index.hu/tudomany/villam070112/, http://aparadox.hupont.hu/19/05-brazil-gombvillam). A szikrák mindig tartamazzák az elektrodák darabkáit vagy azok gőzeit. Mikrohullámú előállítási kísérletek is történtek (https://www.nature.com/articles/srep28263). 
- 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, 
- Létezik továbbá egy sor olyan elképzelés, amelyeket nem lehet és nem is szabad komolyan venni.
-  (https://web.archive.org/web/20050224120205/http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0015/21.html) 
 
 
**Megfigyelt jellemzők, felsorolás (https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning):
- 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 a talajba csapott villám szennyezései.