Gömbvillám látszólag a semmiből

 

 

 

Gömbvillám látszólag a semmiből

 

(2026 július)

 

 

 

Amikor a villám lecsap a talajba, nagy mennyiségű sűrű por, töltött részecske, (ion) marad hátra utána a levegőben, ami kapcsolódik egy gömbvillám keletkezéséhez. De látható vonalas villámok nélkül is keletkeznek gömbvillámok. A fizikusok szerint földrengés, mikrometeorit, esetleg kőzetnyomás (piezoelektromosság) is lehetnek a keletkezés okai. A legelfogadottan gömbvillám modell,  a szilíciumgőzön alapuló Abrahamson-Dinniss modell vonalas villámok nélkül nem működik. Egy új, az elővillámokon alapuló hipotézist ismertetünk a következőkben, amihez nem szükséges vonalas villám.

 

A látható vonalas villámokat mindig megelőzik a felszínről induló kisebb energiájú, ≈ 95%-ban pozitív töltésű láthatatlan elővillámok (angolul streamer, nincs magyar kifejezése), melyek csak különleges kamerákkal figyelhetőek meg. Az elővillámokból nagyon sok van, kevés találkozik fentről jövő, látható kisüléssel, és lesz belőle villám. Az elővillámok néhány 10 Amperes, esetleg 100 Amperes, 30-60 méter hosszú, és néhány mm átmérőjű plazmaszálak, továbbá látszólag gyengék egy gömbvillámhoz, de talán csinálnak egy gömbvillámhoz elegendő port, pernyét, iont a földfelszínen.

 

Az elővillámok csúcsa -sreamerfej a csúcs neve- azonban egy nagyenergiájú fizikai jelenség. A streamerben az elektromos tér a levegő átütési feszültségének ( 30kV/cm) sokszorosa, 10⁷ V/m is lehet. A streamer feje egy vékony, mozgékony kis elektronfelhőből és egy lassú, mögötte maradó pozitív ionfelhőből áll. Egy lokális dipólus, ami felgyorsítja az elektronokat, ütközéses ionizációt, láncreakciókat okoz. Az elektronok láncreakciója, a lavina önfenntartóvá válik, és átalakul egy gyorsan haladó streamer-csatornává. 

A streamer fejében lévő elektronok nemcsak ionizálnak, hanem gerjesztik is a nitrogénmolekulákat, majd oxigénmolekulákat. Ha a levegőnek van páratartalma, akkor az elektronok közvetlenül szétpattintják a vízmolekulákat, disszociációt okoznak, a párából hidroxil (-OH) gyökök keletkeznek. Az -OH gyökök igen agresszív rövid élettartamú szabad gyökök, amivel az elővillám a környezetében lévő gázokat oxidálja, és szúrós szaga van az oxidoknak. Ez a folyamat képezi az alapját a modern plazma alapú légtisztító berendezéseknek. Hasonló szaga van a gömbvillámoknak is. 

 

A gömbvillám kialakulása streamerfejből

A streamerfej lokális dipólusa (elektron- és ionfelhő) nagy elektromos térerőt hoz létre. A felgyorsult elektronok ionizálják, disszociálják a levegő molekuláit (nitrogén, oxigén, porok, vízpára). A folyamat végén magas hőmérsékletű, ionizált gázplazma szakad le a streamerről, és gömbbé alakul. A kialakuló plazma, Yukawa porplazma felületi energiája (a feszültséghez hasonló jelenség) tartja össze, okozza a gömb alakot. A por, a pernye minősége meghatározó, spektruma Si, Fe, Ca szennyezéseket is mutat.

 

Szükséges a gömbvillámokhoz a magas páratartalom is, a vízpára disszociációjából származó hidroxil (-OH) és oxigén gyökök táplálják a kémiai reakciókat, ami új hipotézis. A talajközeli lebegő részecskék, aerosolok, homokszemek vagy nanorészecskék  fobtos szennyező szemcsék a kialakuló gömbben, de ha sok lenne benne a nehéz fémrészecske, akkor "leesne".

A plazmában folyó belső áramok mágneses tere összhúzza a plazmaszálat. A szál hosszirányú instabilitása miatt a szál részekre, "gyöngyökre", majd önálló gömbökre szakadozik, néha egyetlen gömbre. A plazmaszál végén található streamerfejben a ≈ 10⁷ V/m -es térerő miatt kialakul egy önálló, zárt lokális kis dipólus, amiért a  plazmaszál növekedése instabillá válik, és néha leszakad. A sűrű, töltött fejrész leszakad a csatornáról és a legkisebb energiájú állapotúra, gömb alakúra változik. A szabadon mozgó azonos töltések taszítják egymást, és igyekeznek a lehető legtávolabb kerülni egymástól, ami egy üreges vagy gömb alakú töltéseloszláshoz vezet, és a plazmának van felületi feszültsége. 

A tiszta, pára nélküli gázplazma a levegőben mikroszekundumok alatt szétáramlana. A gömb alak a környezetéből származó pára és más por, esetleg homok és más fémsó szennyező szemcsék* alkotta Yukawa-porplazma. A lebegő részecskék, pernyeszemcsék negatív töltést vesznek fel a mozgékony elektronoktól. A töltött szemcsék és az ionok együttesen egy erősen viszkózus, folyadékszerű állapotot (Yukawa-plazmát) hoznak létre. A fizikusok 50-100 közötti csatolási állandóval jellemzik. A Yukawa-plazma egy határréteget képez a hideg levegővel, aminek a felületi feszültséghez hasonló jelensége van. A Young-Laplace egyenlet jól leírja a jelenséget. A belső plazmát feszítő ΔP nyomás és a külső atmoszférikus nyomás egyensúlya tartja fenn: ΔP = 4γ/D, ahol D a gömb átmérője, gamma a felületi feszültséget jelöli.

A vízpára disszociációjából keletkező hidroxil (-OH) és oxigén gyökök és a pernye lassú égési/oxidációs folyamata biztosítja a gömb veszteségeit. A kémiai energiaforrás szabályozottan, folyamatosan pótolja a kisugárzott hőt és fényt, így a gömbvillám nem alszik ki azonnal, hanem másodpercekig vagy percekig is stabilan fennmarad.

 

Egy ≈ 100 A áramerősségű és ≈ 50 m hosszú streamer (elővillám) energiája egy tipikus, 10 cm és 30 cm közötti átmérőjű, átlagos méretű gömbvillám létrehozásához és fenntartásához elegendő. A streamer csatornájában a térerősség kb. 5 ⋅ 10⁵ V/m. Egy 50 m-es szakaszon a feszültségesés 25 millió Volt. Ha a 100 A-es áramcsúcs kb. 100 μs (10⁻⁴ s) ideig áll fenn, akkor a betáplált energia: 250  kJ.  A megfigyelések és plazmamodellek szerint egy átlagos gömbvillám belső energiasűrűsége 1 J/cm³ és 10 J/cm³ között mozog. A streamer energiájának csak egy része (kb. 1-5%-a) fordítódik közvetlenül a gömbvillám magjának (anyagának és  plazmájának) létrehozására, a többi hőként átadódik a környezetbe, ami kb. 2500 - 12500 J tiszta belső energiát jelent. Egy 20 cm átmérőjű gömb térfogata kb. 4188 cm³. Ha 2 J/cm³ energiasűrűséggel számolunk, a gömb teljes belső energiája kb. 8300 J, ami tökéletesen megfelel a streamer energiaintervallumának. 

A vízmolekulákból keletkező hidroxil-gyökök és hidrogénionok plazmája nagy energiasűrűséget tárol. A 250 kJ-ból a víz-plazma gömb minimum 10–25 kJ belső energiát képes tárolni a felületi feszültség által bezárt térfogatban, egy 15–20 cm átmérőjű stabil plazmagömböt hoz létre, néha az egész plazmaszál göbbé alakul. Magas relatív páratartalom (vízgőz) vagy közvetlen vízfelület szükséges a gömb kialakulásához, talaj közeli jelenség.

 

 

 

Villám féleségek (https://weatherworksinc.com/news/the-lightning-above)

 

 A gömb külső felületén lévő töltött szemcsék* között olyan erős kohéziós (összetartó) erő lép fel, ami úgy viselkedik, mint a folyadékok felületi feszültsége. A felületi jelenség magyarázza meg, hogy a gömbvillám miért képes alakot váltani, átpréselődni kulcslyukakon vagy ablakréseken, majd a túloldalon újra felvenni a tökéletes gömb alakot (mint egy szappanbuborék), amire egy szilárd fém nanováz képtelen. A szemcsék minősége: talajból vagy hamuból származó finom szemcsék villámcsapás hatására felhevülnek. A pernye szolgálhat szemcsék a anyagaként. A pernye nagyon finom ásványi szemcsékből áll (szilícium-, alumínium-, kalcium- és vas-oxidok, szénszemcsék), ezért alkalmas szemcse. A laboratóriumi porosplazma-kísérletek és a mikrohullámú plazmagömb-analízisek alapján a stabil Yukawa-szerkezethez szükséges részecskekoncentráció 10⁸ -10⁹ részecske /cm³.  A mikrométeres vagy nanométeres tartomány (25–100 nm átmérő) az ideális. A pernye a gömb teljes térfogatának a 10^-8 -10^-7 ad részét teszi ki. Amennyiben a perrnyeszemcsék egy mikrométeresek, a 10⁹ db /cm³-es sűrűség már túl nehézzé tenné a gömböt, ha nem lenne fűtse, nem lebegne, leesne. Ahhoz, hogy fent maradjon, a sűrűség 10⁸ db/cm³ körüli lehet, és a plazmának forrónak kell lennie.

A gömbvillámot pernyével szennyezett, ionizált plazma alkotja, amelyet a töltött részecskéinek felületi feszültsége zár a gömbbe. A modell megmagyarázza a szagot is, a vízmolekulák szétpattanásakor keletkező hidroxil és oxigén-gyökök a környező levegővel reakcióba lépve nitrogén-oxidokat hoznak létre, melyek a jellegzetes szúrós szagot adják.

 

A láthatatlan eredetű gömbvillámokra vonatkozó hipotézis fő összetevői a

- streamerfejek,

- A Yukawa pernye szemcsés plazma felületi feszültsége, ami a gömb alakért felelős,

- és a hidroxil gyökök, amelyek fűtik a gömbvillámokat.

 

*A levegőben található por (légköri részecske vagy aeroszol) sokféle anyagból állhat, kizárásos alapon csak a pernye-vízpára a megfelelő. 

Természetes eredetű porok
Ásványi por (homok, agyag, lösz)
Kvarc (szilícium-dioxid, SiO₂)
Kalcium-karbonát (CaCO₃)
Agyagásványok (kaolinit, illit, montmorillonit)
Vulkanikus hamu
Sók (nátrium-klorid és egyéb sók)
Korom (elemi szén)
Fekete szén (black carbon)
Szerves szénvegyületek
Fa pora, famaradékok

Fémek és fémvegyületek
Vas (Fe)
Alumínium (Al)
Réz (Cu)
Cink (Zn)
Mangán (Mn)
Nikkel (Ni)
Króm (Cr)
Ólom (Pb)
Kadmium (Cd)
Kémiai vegyületek
Ammónium-szulfát
Ammónium-nitrát
Nátrium-nitrát
Kalcium-szulfát
Kálium-szulfát
Szulfátok
Nitrátok
Foszfátok
Ammóniumvegyületek
Égéstermékek
Koromszemcsék
Pernye (fly ash)
Elégett szerves anyagok maradványai

Beltéri por gyakori összetevői:
Állatszőr
Textilszálak
Hajszálak
Penészspórák
Részecskeméret szerinti csoportosítás
PM10 – 10 μm-nél kisebb átmérőjű részecskék
PM2.5 – 2,5 μm-nél kisebb finom részecskék
PM1 – 1 μm-nél kisebb részecskék
Ultrafinom részecskék (UFP) – 0,1 μm (100 nm) alatti részecskék

A nedves talajból származó anyago:

Mocsaras területeken jellemző levegőben lévő részecskék

Talajeredetű

Humuszrészecskék
Tőzegpor
Agyagásványok
Kvarc (SiO₂)
Kalcium-karbonát (ha meszes a talaj)

Növényi eredetű

Pollen
Növényi rostok
Levéltörmelék mikrorészecskéi
Fadarabkák
Magvak és pihék

Vízből származó aeroszolok:

Apró vízcseppek
Oldott ásványi sók
Szerves anyagok
Kalcium- és magnéziumionok
Ammóniumvegyületek

Bomlási folyamatokból

Szerves törmelék
Huminsavak
Fulvosavak
Mikroszkopikus cellulóz- és ligninrészecskék
Távoli területekről érkező ásványi por
Erdőtüzek füstjének részecskéi
A mocsarakra jellemző levegőben található gázok:

Metán (CH₄)

Szén-dioxid (CO₂)
Kén-hidrogén (H₂S) – a jellegzetes "záptojás" szagért felelős
Ammónia (NH₃)
Illékony szerves vegyületek (VOC-k), amelyeket növények és mikroorganizmusok bocsátanak ki.

 

Az alak és a méret miatt a legvalószíínűbbek:

Pernye (fly ash) – az égési folyamat során keletkező részecskék jelentős része üreges vagy tömör gömb.
Apró vízcseppek (aeroszolok) – a felületi feszültség miatt gyakorlatilag gömb alakúak, méretük néhány mikrométertől több tíz mikrométerig terjedhet.

Lehetnek közel gömb alakúak, de nem jellemzően:

Kalcium-karbonát (CaCO₃) – egyes ipari előállítású szemcsék lekerekítettek lehetnek, de a természetesek többnyire szabálytalanok.
Sók (nátrium-klorid és egyéb sók) 

A ~10 μm-es, közel gömb alakú részecskék:

Pernye (fly ash)
Apró vízcseppek (aeroszolok)