LÉGKÖRI GÁZKISÜLÉSEK, AZ ELŐVILLÁMOK (STREAMER-EK) FIZIKÁJA
(2025 június)
ABSTRACT
Az elő villámokra (streamer kisülésekre) sokáig úgy tekintettünk, mint kis energiájú, hideg kisülésékre, egy kezdő ioncsatornára elektronlavinákkal, amelynek nagyobb változatai a villámok, termikus ionizációval. A kép hamis: az elektronlavinák is létrehoznak nagyenergiájú jelenségeket, röntgen- és gamma sugarakat, és sprite-okat is. Egy másik jelenség, a kisülési csövekben megfigyelt negatív differenciális ellenállás, melyet bevontunk a streamerek és a villámok fizikáinak tárgyalásba, sok eddig nyitott kérdésre magyarázatot kaphatunk a jelenséggel, pl. nagy energiájú elektroncsatornákra, ezek elágazásokra. //PHYSICS OF ATMOSPHERIC GAS DISCHARGE, STREAMERS: For a long time, we have considered streamer discharges as low-energy, cold discharges, an initial ion channel with electron avalanches, and the larger version of which is lightning, with thermal ionization. This picture is false: electron avalanches also produce four-energy phenomena, X-rays and gamma rays, and sprites. Another phenomenon, the negative differential resistance observed in discharge tubes, which we included in the discussion of streamers and lightning physics, can provide an explanation for many previously open questions, e.g. high-energy electron channels and their branches.
GÁZKISÜLÉSEK LEVEGŐBEN
A levegő gyújtási feszültségénél alacsonyabb feszültségen is van fényjelenség nélküli kisülés, majd megjelenik a parázsfény, amit már elektronlavinák jellemeznek, de még hideg a plazma. A levegő gyújtási feszültségénél magasabb feszültségen az elektronok már magas hőmérsékletűek, gyors és forró elektronok, amelyek az ívet jellemzik. A plazmában, ekkor a forró plazmában a hőmérséklet ugrásszerűen megnő (10 000 K fok fölé, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization). A fényjelenség nélküli kisülés és az ívkisülés között az elektronok gyorsulási sugárzása erős és nagy (Bremsstrahlung): röntgen és gamma sugárzást is megfigyeltek. A kutatás módja az internetes keresés volt, célja az ismeretterjesztés.
A levegő gyújtási feszültségénél alacsonyabb feszültségen is van fényjelenség nélküli kisülés, majd megjelenik a parázsfény, amit már elektronlavinák jellemeznek, de még hideg a plazma. A levegő gyújtási feszültségénél magasabb feszültségen az elektronok már magas hőmérsékletűek, gyors és forró elektronok, amelyek az ívet jellemzik. A plazmában, ekkor a forró plazmában a hőmérséklet ugrásszerűen megnő (10 000 K fok fölé, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization). A fényjelenség nélküli kisülés és az ívkisülés között az elektronok gyorsulási sugárzása erős és nagy (Bremsstrahlung): röntgen és gamma sugárzást is megfigyeltek. A kutatás módja az internetes keresés volt, célja az ismeretterjesztés.
Felfelé haladó elővillám (streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
A KISÜLÉSEK FIZIKÁJA
Elég nagy légköri feszültségnél a folyamat önmagát gerjeszti (negatív differenciális ellenállású állapot: az áram állandó vagy nő, miközben a feszültség csökken vagy állandó, lényegében átvált áramvezérlésre a jelenség, mérnöki terminológiában: áramgenerátor), ami az önfenntartó plazma stabilitásának feltétele.
A levegő gyújtási feszültségénél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization), megjelenik az ívfény. Az ívfényt a termikus elektron emisszió jellemzi, meleg kisülés, forró plazma, a plazmában többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet), ez a gömbvillám esete.
A függőleges tengelyen az önfenntartó kisülések áramának logaritmusa Amperben: a kisülést nem mindig kíséri fényjelenség
Ahol egy kis feszültség csökkenéshez (- Δ U -hoz) növekvő Δ lg I áram tartozik, (az lg tízes alapú logaritmust jelöl) az a karakterisztikának egy "negatív differenciális ellenállású" szakasza. Az első negatív ellenállású szakasz az átmeneti szakaszban található, lavinák jellemzik, ahol az áramerősség azért nem nő korlátlanul, mert a magas hőmérsékletű pozitív ionok képzése energiaigényes folyamat. A második negatív ellenállású szakaszban - termikus ionizáció a jellemző- a növekvő áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák.
A streamer kisülések a koronakisülések (hideg plazma, parázsfény) egy fajtája, a villamos kisülések kezdeti szakaszai, amelyek a későbbi szikrákhoz, villámkisüléséhez szükséges ionizált csatornákat, utakat kialakítják. A koronakisülés akkor jön létre, amikor az elektromos mező annyira erős, hogy a levegő ionizálódik, több helyen -ahol talál töltéshordozókat- átüt, és elektromosan vezetővé válik. Magyarázata: a légköri feszültség kialakít olyan ionizált tartományokat, amelyekből a koronakisülések, a streamer csatornák, elektronlavinák elindulhatnak, és összeköthetik az ionizált tartományokat, amivel fastruktúrák alakulnak ki a feszültségkülönbségnek megfelelelően. Fontosság: A streamer kisülések fontos szerepet játszanak a természetben, mind a a dielektromos szilárdságban, a nagyfeszültségű berendezésekben (villámfajtákról egy áttekintő munka: https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/539-a-villamok-negativ-elektromos-ellenallasu-kisuelesek.html?Itemid=101. A streamerek terjedő ionizációs frontok, amelyek laboratóriumi körülmények között elektródákról indulnak és végeiken önszerveződő (lavína) térerősítéssel rendelkeznek, és amelyek standard légköri nyomású és hőmérsékletű levegőben, vagy általánosabban gázokban jelennek meg. A streamerek más kisülések, például szikrák és villámlások előfutárai, de előfordulnak például koronakisülésnél vagy plazmasugarakban is, amelyeket különféle plazmakémiai célokra használnak. Ha elegendő hely áll rendelkezésre, a streamerek alacsonyabb nyomáson is kialakulhatnak, mint például a légkörben magasan látható sprite kisülések esetében. Két fő szakaszuk van: a keletkezés és a terjedés. Egy áttekintés, ami oktatóanyagként használható a streamer fizika területén kezdő kutatók számára: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6595/abaa05.
A koronakisülés egy elektromos kisülés, amelyet egy nagyfeszültségű vezetőt körülvevő (folyadék , gáz) például levegő ionizációja okoz. A vezető egy olyan helyi területen jelenik meg, ahol a levegő (vagy más gáz, folyadék) elektromosan átüt, és vezetővé válik, lehetővé téve a töltés folyamatos áramlását a vezetőből a levegőbe. Koronakisülés olyan helyeken fordul elő, ahol a vezető körüli elektromos tér erőssége (potenciálgradiens) meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát. Gyakran kékes fényként látható a nagyfeszültségű, hegyes fémvezetők közelében, és ugyanazzal a fizikával bocsát ki fényt, mint egy gázkisülési lámpa, vagy egy parázskisülés, nevezetesen a fékezési sugárzás, amelyek diszkrét spektrális vonalakat hoznak létre. Koronakisülések egyedi időjárási körülmények között is előfordulhatnak, például zivatarokban, ahol a hajóárbocok vagy a repülőgépszárnyak töltése jelentősen eltér a körülöttük lévő levegő töltésétől (Szent Elmo tüze).
Számos nagyfeszültségű alkalmazásban a koronakisülés nemkívánatos mellékhatás. A nagyfeszültségű elektromos távvezetékekből származó koronakisülés gazdaságilag jelentős energiaveszteséget jelent a közművek számára. Nagyfeszültségű berendezésekben, mint például a katódsugárcsöves televíziókban, rádióadókban, röntgengépekben és részecskegyorsítókban, a koronakisülések okozta áramszivárgás nemkívánatos terhelést jelenthet az áramkörben. A levegőben a koronák olyan gázokat termelnek, mint az ózon (O3) és a nitrogén-monoxid (NO), és ezáltal nitrogén-dioxidot (NO2), és így salétromsavat (HNO3) is, ha vízgőz van jelen. Ezek a gázok korrozívak, lebonthatják és rideggé tehetik a közeli anyagokat, valamint mérgezőek az emberre és a környezetre nézve. A koronakisüléseket gyakran meg lehet előzni jobb szigeteléssel, koronagyűrűkkel és sima, lekerekített formájú nagyfeszültségű elektródák készítésével. A szabályozott koronakisüléseket számos folyamatban alkalmazzák, például levegőszűrésben, tisztításban, fénymásolókban és ózongenerátorokban.
Megjegyzés: a kisülési folyamat angol nyelvű változata:
Voltage-current characteristics of electrical discharge (in neon at 1 torr, with two planar electrodes separated by 50 cm).
A: random pulses by cosmic radiation
B: saturation current
C: avalanche Townsend discharge
D: self-sustained Townsend discharge
E: unstable region: corona discharge (when the voltage decreases, the current increases!)
F: sub-normal glow discharge
G: normal glow discharge
H: abnormal glow discharge
I: unstable region: glow-arc transition
J: electric arc (when the voltage decreases, the current increases!)
K: electric arc
B: saturation current
C: avalanche Townsend discharge
D: self-sustained Townsend discharge
E: unstable region: corona discharge (when the voltage decreases, the current increases!)
F: sub-normal glow discharge
G: normal glow discharge
H: abnormal glow discharge
I: unstable region: glow-arc transition
J: electric arc (when the voltage decreases, the current increases!)
K: electric arc
The A-D region is called a dark discharge; there is some ionization, but the current is below 10 microamperes and there is no significant amount of radiation produced.
The F-H region is a region of glow discharge; the plasma emits a faint glow that occupies almost all the volume of the tube; most of the light is emitted by excited neutral atoms.
The I-K region is a region of arc discharge; the plasma is concentrated in a narrow channel along the center of the tube;
a great amount of radiation is produced (https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
BEVEZETÉS
A kaliforniai egyetemen 2014-ben kifejlesztettek egy légköri modellt, mely szerint a Föld hőmérsékletének minden egy Celsius fokos emelkedése nyomán a villámok 12 százalékkal válnak majd gyakoribbá. Alátámasztani látszik ezt, hogy a holland kutatók vizsgálatai szerint, az alaszkai és kanadai erdőkben villámlással induló tűzesetek száma az elmúlt 40 évben, évente 2–4 százalékkal nőtt. Amikor az elektromos erőterek elérnek egy kritikus értéket, a levegőben a töltések átáramlása egy úgynevezett előkisülés (ködfénykisülés) -t, streamert indít el. Ez egy előcsatorna, egy elővillám, amely módosítja az őt létrehozó elektromos mezőt, és amely előkészíti az utat a fő villámcsapás számára.
A villám nem egy lépésben csap le, a hosszabb-rövidebb vezető szakaszok nem egyszerre alakulnak ki, hanem fokozatosan. A vezető szakaszok nem pontosan a felhő és a föld (felhő és felhő) közötti legrövidebb egyenesen keletkeznek, hanem cikk-cakk alakban haladnak, mert az ionizáció mértékét, az elektronok számát befolyásolja a levegőben található részecskék, apró porszemcsék elhelyezkedése, tartományai. Így az elektromosan vezető csatorna mindenhol abban az irányban alakul ki, ahol a jobban vezető szakasz, tartomány található. A már kialakult apró vezető szakasz elősegíti további vezető szakaszok kialakulását, mivel a töltések a vezető szakaszban annak végéig el tudnak mozdulni, és módosítják is a korábban kialakult elektromos teret.
A felszíni elővillámok: a földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul (kis lépésekben) a pozitív előjelű elektromosság cikkcakkos áramlása a felhő felé, de azt sohasem éri el. A föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény (ami csak nagysebességű kamera felvételén észlelhető). A felhőből kiinduló levezető szakasz, a felső elővillám általában fehér színű.
Az elektromosan vezető csatornák kialakulási folyamatának végén a felhő és a földfelszín összekapcsolódik egy vagy több, elektromosan vezető csatornán keresztül, amin először egy gyenge „elővillám” fut végig, majd egy vagy több erősebb töltésáramlás, villám kisülés történik, gyakran ugyanazon a csatornán, mert éppen ott a legkisebb az elektromos ellenállás. “A mai napig nem értjük túl jól a villámokat. Egy filmre vett villámcsapás lassított felvételének analitikája világosan megmutatja, hogy a kisülés lépésről lépésre halad előre. Időnként rövid szünetet tart, megáll, mielőtt továbbhaladna”, aminek magyarázatára még csak konszenzusosan elfogadott elméleteink sincsenek, csupán néhány tanulmány a lépcsőzetes terjedésről.
Antianyag, röntgen és gamma-sugárzás
A nagyenergiájú gamma-kitörések vizsgálatára üzembe állított Fermi gammasugár teleszkóp 14 hónapos működése során 2009-ben 17 alkalommal észlelte, hogy földi villámlás során nem csak elektronok, hanem pozitronok is keletkeztek (amik az elektronok antianyag-megfelelői) és gamma sugárzás is. Az észlelést a World Wide Lightning Location Network is megerősítette. A bejelentés nem teljesen új, mivel hasonló energiájú gamma-kitöréseket már az 1990-es évek elején is észlelt a NASA Compton űrtávcső műholdja. A legtöbb zivatar során gamma-kitörések is keletkeznek, még a gyenge viharok esetén is. Ezt a jelenséget első ízben a NASA Compton Gamma-Ray Observatory gammasugár-vizsgáló műholdja észlelte 1992-ben. A gamma-kitörés ideje általában rövidebb mint egy ezredmásodperc. A zivatarfelhők elektromos töltéssel rendelkeznek, általában a felhő alja negatív, a teteje pozitív töltéssel. Megfelelő körülmények esetén a felhőn belüli villámlás áttöri a felhő elektromos terét, és elektronok áramlata indul meg nagy sebességgel felfelé, amik ütköznek a levegő molekuláival, és gamma-sugárzás jön létre. Az elektronok kitörése az ismereteink szerint 11-14 km magasságban történik [wikipedia.org/wiki/Villám].
STREAMEREK
A streamer kisülés, más néven szálas kisülés, egy elektromos kisülés fajta, (https://en.wikipedia.org/wiki/Streamer_discharge) amely egy vezető nagyfeszültségű elektróda felületén keletkezik például a levegőben. A streamerek világító, tekergő, elágazó szikrák, ionizált levegőmolekulákból álló plazmacsatornák, amelyek ismételten elindulnak az elektródából a levegőbe. A hasonló koronakisülésekhez és sztatikus kisülésekhez hasonlóan a streamer kisülés egy nagyfeszültségű vezető körüli területből indul, ahol a levegő elektromos átütést szenved és vezetővé (ionizálttá) válik, így elektromos töltés áramlik az elektródáról a levegőbe, de az ellentétes polaritású elektróda nincs elég közel ahhoz, hogy elektromos ív jöjjön létre a két elektróda között. Akkor fordul elő, amikor a vezető felületén az elektromos mező meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát, körülbelül 30 kilovolt/centimétert. Amikor a feszültség eléri ezt a küszöbértéket, a gyorsított elektronok elegendő energiával ütköznek a levegő molekuláinak ahhoz, hogy más elektronokat lökjenek le róluk, ionizálva azokat, és a felszabadult elektronok további molekulákat ütnek el egy láncreakcióban, ütközéses ionizációs lavina jön létre. Ezek az elektronlavinák (Townsend-kisülések) ionizált, elektromosan vezető régiókat hoznak létre a levegőben az elektróda közelében. Az elektronlavinák által létrehozott tértöltés egy további elektromos mezőt is létre hoz, ami az ionizált régió végein megnövekszik, és egy újabb kisülést, úgynevezett streamert hoz létre.
A streamerek tranziensek (csak rövid ideig léteznek) és szálasak, ami megkülönbözteti őket a koronakisülésektől. Olyan alkalmazásokban használják őket, mint az ózontermelés, a levegőtisztítás vagy a plazmagyógyászat. Ha egy streamer eléri az ellentétes polaritású vezetőt, ionizált vezető utat hoz létre, amelyen keresztül nagy áram folyhat át, nagy mennyiségű hőt szabadítva fel, ami elektromos ívet eredményez (termikus ionizációt); ez az a folyamat, amelynek során a vezetőcsatornát hoznak létre a villámoknak. A streamerek a felső légkörben sprite-ként is megfigyelhetők. Az alacsony nyomás miatt a sprite-ok sokkal nagyobbak, mint a földnyomáson lévő streamerek, lásd az alábbi hasonlósági törvényeket.
Egy nagy Tesla tekercs 3,5 méteres (10 láb) streamer íveket hoz létre, ami több millió voltos potenciált jelez, időtartam: 9 másodperc.
A fonalas streamerek története és fizikája
A streamer kisülések elméletét John Sealy Townsend 1900 körüli kisüléselmélete előzte meg. Azonban világossá vált, hogy ez az elmélet néha ellentmondásban van a megfigyelésekkel, hosszabb vagy nagyobb nyomású kisüléseknél. 1939-ben Loeb és Raether egymástól függetlenül leírtak egy új típusú kisülést, kísérleti megfigyeléseik alapján. Röviddel ezután, 1940-ben Meek bemutatta a szikrakisülés elméletét, amely kvantitatívan magyarázta az önmagát terjedő streamer kialakulását. A streamer kisülések ezen új elmélete sikeresen magyarázta a kísérleti megfigyelést.
A streamer kisülések elméletét John Sealy Townsend 1900 körüli kisüléselmélete előzte meg. Azonban világossá vált, hogy ez az elmélet néha ellentmondásban van a megfigyelésekkel, hosszabb vagy nagyobb nyomású kisüléseknél. 1939-ben Loeb és Raether egymástól függetlenül leírtak egy új típusú kisülést, kísérleti megfigyeléseik alapján. Röviddel ezután, 1940-ben Meek bemutatta a szikrakisülés elméletét, amely kvantitatívan magyarázta az önmagát terjedő streamer kialakulását. A streamer kisülések ezen új elmélete sikeresen magyarázta a kísérleti megfigyelést.
Streamereket akkor hozhatunk létre, ha erős elektromos mezőt alkalmazunk egy szigetelőanyagra, jellemzően egy gázra. A streamerek csak olyan területeken alakulhatnak ki, ahol az elektromos tér meghaladja a közeg dielektromos (átütési) szilárdságát (átütési), légköri nyomáson ez nagyjából 30 kV centiméterenként. Az elektromos tér felgyorsítja a levegőben mindig jelen lévő néhány elektront és iont, amelyeket természetes folyamatok, mint a kozmikus sugarak, a radioaktív bomlás vagy a fotóionizáció hoztak létre. Az ionok sokkal nehezebbek, ezért nagyon lassan mozognak az elektronokhoz képest. Ahogy az elektronok áthaladnak a közegen, ütköznek a semleges molekulákkal vagy atomokkal.
Fontos ütközések:
Rugalmas ütközések, amelyek megváltoztatják az elektronok mozgásirányát.
Gerjesztések, ahol a semleges részecske gerjesztődik, és az elektron elveszíti a megfelelő energiát.
Ütközési ionizáció, ahol a semleges részecske ionizálódik, a beeső elektron pedig elveszíti az energiát.
Tapadás, ahol az elektron a semlegeshez részecskéhez tapad, negatív iont képezve.
Gerjesztések, ahol a semleges részecske gerjesztődik, és az elektron elveszíti a megfelelő energiát.
Ütközési ionizáció, ahol a semleges részecske ionizálódik, a beeső elektron pedig elveszíti az energiát.
Tapadás, ahol az elektron a semlegeshez részecskéhez tapad, negatív iont képezve.
Amikor az elektromos tér közeledik az átütési térhez, az elektronok elegendő energiát nyernek két ütközés között ahhoz, hogy ionizálják a gázatomokat, és lelökjenek egy elektront a hélyról. Először egyensúly van az új elektronok keletkezése (az ütközéses ionizáció miatt) és az elektronok elvesztése (a tapadás miatt) között. Utána az elektronok száma exponenciálisan növekedni kezd, és elektronlavina (Townsend-lavina) alakul ki.
Az elektronlavinák pozitív ionokat hagynak maguk után, így idővel tértöltés halmozódik fel. (Természetesen az ionok eltávolodnak egymástól, de ez viszonylag lassú folyamat a lavinaképződéshez képest, mivel az ionok sokkal nehezebbek, mint az elektronok). Végül a tértöltésből származó elektromos mező összehasonlíthatóvá válik a háttér elektromos mezőjével. Ezt "lavinából streamerbe való átmenetnek" nevezik. Egyes régiókban a teljes elektromos mező kisebb lesz, mint korábban, de más régiókban nagyobb lesz, amit elektromos mezőerősítés-nek neveznek. Az új lavinák túlnyomórészt a nagy térerősségű régiókban erősödnek, így egy önmagát terjesztő struktúra alakul ki: egy streamer.
Pozitív és negatív streamerek
Az egyenáramú áramkörökben a pozitív és negatív feszültségű elektródákon kialakuló streamerek megjelenésükben és formájukban eltérőek a különböző fizikai mechanizmusok miatt.
Az egyenáramú áramkörökben a pozitív és negatív feszültségű elektródákon kialakuló streamerek megjelenésükben és formájukban eltérőek a különböző fizikai mechanizmusok miatt.
A negatív streamerek az elektromos tér irányával ellentétesen terjednek, azaz az elektronok sodródási sebességével megegyező irányban. A pozitív streamerek az ellenkező irányba terjednek. Mindkét esetben a streamer csatorna elektromosan semleges, és egy vékony tértöltés-réteg árnyékolja. Ez fokozott elektromos térhez vezet a csatorna végén, a streamer "fejénél". Mind a pozitív, mind a negatív streamerek ütközési ionizációval növekednek ebben a nagy térerősségű régióban, de az elektronok forrása nagyon eltérő lehet.
A negatív streamerek esetében a szabad elektronok a csatornától a fejrészig gyorsulnak. A pozitív streamerek esetében azonban ezeknek a szabad elektronoknak távolabbról kell érkezniük, mert felgyorsulnak a streamer csatornájába. Ezért a negatív streamerek lassabban növekednek, mint a pozitív streamerek. Mivel a pozitív streamernek kisebb a térerősítése, a negatív streamerek nagyobb elektromos teret igényelnek, mint a pozitív streamerek. A természetben és az alkalmazásokban ezért a pozitív streamerek sokkal gyakoribbak.
Fontos különbség az is, hogy a pozitív streamerek terjedéséhez szabad elektronforrásra van szükség. Sok esetben a fotóionizációt tartják a forrásnak. Magas oxigénkoncentrációjú nitrogén-oxigén gázkeverékekben a gerjesztett nitrogén UV-fotonokat bocsát ki, amelyek ezt követően ionizálják az oxigént.[Tiszta nitrogénben vagy kis oxigéntartalmú nitrogénben azonban a fotonok domináns termelési mechanizmusa a fékezési sugárzás.
Hasonlósági törvény
A streamer kisülésében zajló folyamatok többsége kétrészecskés folyamat, ahol egy elektron ütközik egy semleges molekulával. Fontos példa erre az ütközéses ionizáció, ahol egy elektron ionizál egy semleges molekulát. Ezért az átlagos szabad úthossz fordítottan arányos a gázrészecske-sűrűséggel. Ha az elektromos mező lineárisan változik a gázrészecske-sűrűséggel, akkor az elektronok átlagosan azonos energiát nyernek az ütközések között. Nagyobb távolságokban, mint 1 cm-es No/N szorzat, ahol N a gáz sűrűsége, No pedig a gáz sűrűsége normál környezeti körülmények között, ami a skálázás gázsűrűséggel a sprite-ok miatt, skálázási törvénynek is nevezik.
Más szóval, ha az elektromos mező, E
a részecskesűrűség N aránya állandó, akkor hasonló dinamikát várunk. A tipikus hosszúságok 1/N skálán mozognak, mivel ezek az átlagos szabad úthosszhoz kapcsolódnak. Ez motiválja a Townsend-egységet is, amely az E/N arány fizikai mértékegysége. (Mágneses terekere van B/N egység is.)
Elektronok és nagy energiájú fotonok kibocsátása
Megfigyelték, hogy a laboratóriumi kísérletekben a kisülések röntgensugarakat is kibocsátanak, és hogy a villámkisülések röntgensugarakat és földi gammavillanásokat bocsátanak ki, amelyek akár 40 MeV energiájú fotonok lehetnek. Ezeket a fotonokat emittált elektronok, azaz a súrlódási erőt legyőző elektronok hozzák létre fékezési sugárzás révén. Nem teljesen ismert, hogy az elektronok hogyan nyerhetnek ilyen nagy energiákat az elágazó streamerekhez, mivel folyamatosan ütköznek levegőmolekulákkal és energiát veszítenek. Egy lehetséges magyarázat az elektronok gyorsulása a streamer csúcsok erős elektromos mezőiben, a negatív differenciális ellenállás miatti átütések a jobban vezető tartományok között. A folyamat megmagyarázza a magas emissziós arányt is. Korábban felmerült, hogy a környezeti levegő zavart (perturbációt) szenved a streamer kisülések közelében, és ez a zavar segítené elő az elektronok gyorsulását.
Megfigyelték, hogy a laboratóriumi kísérletekben a kisülések röntgensugarakat is kibocsátanak, és hogy a villámkisülések röntgensugarakat és földi gammavillanásokat bocsátanak ki, amelyek akár 40 MeV energiájú fotonok lehetnek. Ezeket a fotonokat emittált elektronok, azaz a súrlódási erőt legyőző elektronok hozzák létre fékezési sugárzás révén. Nem teljesen ismert, hogy az elektronok hogyan nyerhetnek ilyen nagy energiákat az elágazó streamerekhez, mivel folyamatosan ütköznek levegőmolekulákkal és energiát veszítenek. Egy lehetséges magyarázat az elektronok gyorsulása a streamer csúcsok erős elektromos mezőiben, a negatív differenciális ellenállás miatti átütések a jobban vezető tartományok között. A folyamat megmagyarázza a magas emissziós arányt is. Korábban felmerült, hogy a környezeti levegő zavart (perturbációt) szenved a streamer kisülések közelében, és ez a zavar segítené elő az elektronok gyorsulását.
A nyomáshullámok és a röntgensugarak keletkezése közötti kapcsolat a levegő kisüléseiben a korábbi vélekedés szerint: Az elektromos kisülések által kibocsátott nyomás- és lökéshullámok akár 80%-ban is képesek perturbációt okozni a környezet levegőjében. Közvetlen következményei vannak a másodlagos streamer kisülések mozgására és tulajdonságaira a levegőben: Az iránytól függően (a környezet elektromos téréhez képest) a levegő perturbációi megváltoztatják a kisülési sebességet, elősegítik az elágazást, vagy kiváltják az ellenkisülés spontán megindulását. A legújabb szimulációk kimutatták, hogy az ilyen perturbációk röntgensugarak (több tíz keV energiával) keletkezését is elősegíthetik az ilyen streamer kisülésekből, amelyeket a fékezési sugárzási folyamat során gyorsuló emittált elektronok hoznak létre.
Sprite-kisülések és egyéb villámjelenségek (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/539-a-villamok-negativ-elektromos-ellenallasu-kisuelesek.html?Itemid=101): A sprite-kisülések bolygónk legnagyobb energiájú streamer-kisülései, amelyek az éjszakai légkörben 40-90 km-es magasságban haladnak át. A felhő-föld villámok által kiváltott elektromos tér gyors változásai indítják el őket, és olyan magasságokban alakulnak ki, ahol az elektromos tér elég erős. A streamerek és a sprite-ok közötti kapcsolat: az Egyesült Államok Standard Atmoszférája szerint a levegő sűrűsége 83 km-es magasságban 5-10-szer kisebb, mint a tengerszinten, ami azt jelenti, hogy a hosszúság- és időskálák 105-ször nagyobbak (centiméter skálán kilométer, nanoszekundum skálán 0,1 ms), az ionizációs fok ne/N és a letörési tér E/N 10−5-szer kisebbek stb. Valójában a hasonlósági törvényekről kimutatták, hogy jó első közelítést jelentenek, és ebben az értelemben a sprite-ok a villámlással kapcsolatos kisülések. A spirite-ok az elmúlt 30 évben a zivatarfelhők felett megfigyelt átmeneti fényesemények egyik sajátos faját alkotják. További fajok az ionoszférában található elfek és halók, valamint a felhőkből felfelé mozgó jetek és gigantikus jetek; a gigantikus jetek valójában egészen az ionoszféráig. A közbenső levegősűrűség miatt a jetek a villámok és a spirite-ok között helyezkednek el: míg a villámok a felmelegedett villámvezetők előtt streamer koronákon keresztül haladnak, és a földhöz való csatlakozáskor a visszatérő lökéseken keresztül, a jetek nagyobb streamer koronákat és vezetőket tartalmaznak, míg a spiritek pedig lényegében csak hatalmas streamerekből állnak, lényegében hőhatások nélkül, a skálázási törvényeknek megfelelően.
A sprite-ok erős elektromos kisülések, amelyek a zivatarfelhők felett, a mezoszférában fordulnak elő. A legismertebbek a vörös lidércek, amelyek vöröses-narancssárga villanásokként jelennek meg (https://24.hu/tudomany/2023/09/01/orias-nyalab-ritka-egi-jelenseg-voros-felfele-toro-villamok-video/). Igen rövid élettartamú, homályos, néha korong alakú ionizációs régiók, és magasan a légkörben zivatarok felett, esetleg 100 km (62 mérföld) magasságban fordulnak elő. Erős villámcsapások váltják ki a vörös lidérceket.
A vörös lidérc (spriteang, ködfénykisülés, mint a sarki fény, https://hu.wikipedia.org/wiki/V%C3%B6r%C3%B6s_lid%C3%A9rc) a magas légköri fényjelenségek közé tartozó jelenség, rövid fényfelvillanás. 1990 körül fedezték fel, kizárólag viharfelhők felett keletkeznek, nagy villámkisülések váltják ki. A viharfelhők felett 40–50 km-es magasságban a kiterjedésük felfelé elérheti a további 50 km-t, vízszintes kiterjedésük is elérheti a 40–60 km-t. A kisülés alakja néha oszlopszerű, de előfordulnak fa vagy medúza alakú formák is. Szabad szemmel szinte megfigyelhetetlenek, mivel a felvillanás csak néhány ezredmásodpercig tart. A megfigyelést nehezíti, hogy rá kell látni a viharfelhők tetejére, ami több száz kilométeres távolságot jelent a megfigyelő számára. Közvetlen megfigyelésük sötétben lehetséges.
A trollang-ok (tranziens vörös világító vonalak) erős lidércek után fordulnak elő, és halvány farokkal vörös foltokként jelennek meg. A négysebességű kamerákon gyors eseménysorozatok, a sprite-inda után kialakuló vörös izzásból kezdődnek.
A megfigyeléseket segíti, hogy a nagy energiájú villámok (melyek között a vörös lidérceket okozók is vannak) az átlagos kisülésekhez hasonlítva egy nagyságrenddel intenzívebb rádiósugárzást okoznak az 5-30 Hz-es frekvenciasávban. A vörös lidércek kialakulásának helyén: 30–40 km-es magasságban, és magasabban a földi légkör össztömegének kb. 1%-a található, a nyomás a tengerszint légnyomásának 1/100 000–ed része. Nagyobb villámkisülések után a zivatarfelhő fölött rövid időre olyan elektromos tér alakulhat ki, amelynek az erőssége a kis légsűrűség mellett meghaladja a légköri kisülés létrejöttéhez szükséges értéket, amikor létre jöhet a vörös lidérc jelensége. Hasonló ködfény kisülések a kék nyalábok (blue jetsang) és a gyűrűlidércek (elvesang) is.
