GUĽOVÝ BLESK A UFO: Diskusia fyzikálneho modelu

Abstrakt. V článku sa predpokladá, že guľový blesk a UFO sú analogické objekty. Pozorovanie ich rôznorodého správania je jednotne vysvetlené  použitím hypotézy, že guľový blesk i UFO sú vytvorené ako sférický kondenzátor vyplnený najmä polárnymi molekulami a v niektorých prípadoch aj rôznymi chemickými látkami, ktoré vplývajú na ich konečný prejav. Je tu tiež prediskutovaný mechanizmus formovania sférického kondenzátora. Je ukázané, že zvláštne  správanie takéhoto objektu, ako napr. náhla zmena smeru pohybu, vytvorenie diskového tvaru a možný prienik stenou sú dôsledkom jeho vnútornej štruktúry. Nakoniec je navrhnutá experimentálna verifikácie predloženej hypotézy.

1. Úvod

            Guľový blesk (GB) a UFO boli pozorované mnohokrát, avšak doposiaľ neexistuje všeobecne uznaná teória ich existencie. Barry [1] publikoval veľmi dobrý prehľad o GB. Uvádza množstvo rôznych modelov GB majúcich spoločné rysy, ktoré prezentoval vo svojej publikácii  Brand [2]. Nedávno publikovaný  teoreticky model GB  [3], predpokladá, že GB je časovo premenný tlejivý výboj podobný korónovému. Jeden z najstarších modelov GB, ktorý bol publikovaný v  [4] a neskôr rozvinutý v [5]  predstavuje GB ako sférický kondenzátor a táto predstava sa javí ako dobré východisko pre uvedenie hypotézy o atmosférickom sférickom kondenzátore, ktorý v závislosti od podmienok svojho vývoja, chemického obsahu a veľkosti svojho objemu sa môže javiť ako UFO, alebo GB so širokou škálou rôznych vlastností.

            2. Etapy vývoja atmosférického guľového kondenzátora

V nasledujúcom prediskutujeme etapy vzniku atmosférického guľového kondenzátora (AGK).

2.1 Vznik elektricky nabitej gule

Všeobecne je dobre známe, že atmosféra vo výške viac ako 60 až1000 km nad povrchom Zeme obsahuje vysoko ionizovaný plyn,  ktorého teplota je od 200 do 500K. Plyn v nižšej vrstve ionosféry  obsahuje zhluky (klastry)  H⁺·(H₂O),  ku ktorým s rastúcou výškou pribúdajú ióny O₂⁺  NO⁺ a neskôr  O⁺ , H⁺ a He⁺. Predpokladajme, že v dôsledku elektromagnetických porúch, alebo pádom meteoroidu vznikne hlboká a rozsiahla fluktuácia ionizovaného plynu, ktorá sa začne spojite pohybovať smerom k Zemi          (Obr. 1.)                                                                                                                   

                                                                                                      

                                                                                                                 

                 

                                                                                                                                             

                                                                                                                                               

                                                                                                                                          

                                                                                                      

Obr.1. Vznik gule ionizovaného plynu

Táto obrovská fluktuácia sa môže oddeliť od ionizovanej oblasti a padajúc nadol vytvorí guľu obsahujúcu ionizovaný plyn, ktorá však ako celok je elektricky neutrálna. Táto guľa obklopená suchým vzduchom padá k Zemi. Jej priemer s rastúcim atmosférickým tlakom sa zmenšuje. V niektorých prípadoch sa ionizovaná guľa môže dostať do priestoru vysokej intenzity elektrického poľa, ktoré je vytvorené  v oblasti suchého vzduchu medzi dvoma vrstvami kladného a záporného náboja. Tento vzduch obsahuje polárne molekuly a mikrokyštály ľadu (Obr.2.).

  

               2.2. Vytvorenie atmosférického guľového kondenzátora

Označme pohyblivosť kladných iónov v oblasti A symbolom m_p a pohyblivosť záporných nábojov v zóne B  m_n. Pohyblivosť kladných, resp. záporných nábojov v oblasti gule symbolmi c_p , resp. c_{n .} Nech pohyblivosti nábojov spĺňajú nasledovný vzťah       

c_n >> c_p  > m _n >> m_p                                                                                     (1)

Relácia (1) je dôsledkom toho, že hmotnosť záporných nábojov v oblasti gule je oveľa nižšia než nábojov kladných a zároveň sú  tieto hmotnosti nižšie než hmotnosti iónov  v oblasti A , resp. B. (Tu tiež berieme do úvahy fakt, že ióny vo vyšších vrstvách atmosféry sú ľahšie než vo vrstvách nižších.) Keďže priemerná rýchlosť náboja je daná súčinom pohyblivosti a intenzity elektrického poľa, platí

v_n >>  v_p >  V_n >> V_p                                                                                    (2)

kde veľké písmena sa vzťahujú na rýchlosti v oblasti A, resp. B, kým malé na oblasť gule. Ďalej predpokladáme, že elektrické pole medzi oblasťou A a B bolo pôvodne takmer homogénne. Vstup ionizovanej gule a následný pohyb nábojov naruší túto homogenitu, čo vyvolá pohyb polárnych molekúl v smere gradientu poľa.

            Druhá etapa vytvárania AGB je teda charakterizovaná súčasným pohybom všetkých nábojov a polárnych molekúl. Aj napriek tomu, že tento pohyb je chaotický, môžeme v ňom nájsť niekoľko krokov (Obr. 3.).

            1. Záporné náboje z oblasti gule vysokou rýchlosťou prenikajú cez neutrálny plyn k zóne A. Rekombináciou s jej kladnými nábojmi vytvárajú neutrálnu oblasť (1).

2. Súčasne s pohybom záporných nábojov sa kladné náboje o niečo pomalšie pohybujú k zóne B. Náboje zóny B sa pohybujú  ku kladným nábojom objemu gule, kým ich okrajová časť sa presúva k periférii zóny A. Tento pohyb je spomaľovaný neutrálnym plynom a polárnymi molekulami.

3. Záporné náboje z B obalia oblasť kladných nábojov tak,  že kladné a záporné náboje  ostanú oddelené hrubou vrstvou  neutrálneho plynu, ktorý obsahuje najmä polárne molekuly a mikrokyštály ľadu.

              V dôsledku odpudivých elektrostatických síl kladné náboje expandujú v radiálnom smere formujúc sférickú vrstvu kladných iónov. Tento expanzný pohyb je spomaľovaný polárnymi a neutrálnymi molekulami, ktoré sa difúznym procesom dostávajú do vnútorného priestoru kladne nabitej sféry. Stredná časť AGK je bublina, obal ktorej je kladne nabitý. Súčasne záporné náboje brzdené polárnymi molekulami a kryštálikmi ľadu  obklopujú bublinu kladného náboja vytvárajúc tak sférickú vrstvu  a tým aj AGK.

2.3 Stabilizácia atmosférického guľového kondenzátora

            Budeme predpokladať, že polárne molekuly a kryštáliky ľadu obklopia náboje tak z vonkajšej, ako aj z vnútornej strany nabitých vrstiev, ktoré tvoria AGK a tak vytvárajú hustý film tvoriaci steny obidvoch bublín. Medzera medzi kladnou a zápornou bublinou je vyplnená prevažné polárnymi molekulami. Difúzia polárnych molekúl cez steny bublín je pomalá, keďže povrch bublín tvorí relatívne hustý film. Vnútorný objem kladnej bubliny je prevažne vyplnený neutrálnymi atómami, keďže ich  difúzia cez nabitú vrstvu môže byť rýchla.

            Intenzita elektrického poľa v medzere medzi kladnou a zápornou bublinou je

                                                     E = Q/4πεr²                                                               (3)

kde ε je permitivita plynu v medzere, Q je celkový náboj vnútornej bubliny a r je vzdialenosť jej stredu a uvažovaného bodu. Predpokladajme, že hrúbka stien oboch bublín je vzhľadom na ich rozmer zanedbateľne malá. Označme symbolom R₁ , resp. R₂ strednú hodnotu polomeru vnútornej, resp. vonkajšej bubliny. Potom r v rovnici (3) spĺňa reláciu R₁ ≤ r ≤ R₂. Pre energiu elektrostatického poľa v medzere dostávame

W = Q²ΔR/8πε R₁ R₂                                                                                 (4)

Kde ΔR = R₂− R₁  je šírka medzery. Tlak plynu vo vnútri kladnej bubliny P_i  , tlak plynu v medzere  P_g , atmosféricky tlak  P_a   a efekt elektrostatického poľa musia stabilizovať celý objekt.

Efektívny tlak (plošná hustota sily) naa vonkajšiu  stranu vnútornej bubliny

P₁ = P_g  -  AQ²⁄R₁⁴                                                     (5)

where A = 1/32π² ε. Z rovnováhy síl na  stene vnútornej bubliny vyplýva P₁ = P_i.  

Efektívny tlak  na vnútornú stranu vonkajšej bubliny 

P₂ = P_g  -  AQ²⁄ R₂⁴                                                          (6)

Keďže aj tu platí rovnováha síl, dostávame P₂ = P_a.   Z rovníc  (5) a (6) dostávame

P_i  <  P_g,   , P_g > P_a , and  P_i  < P_a                                            (7)

To znamená, že tlak v medzere je vyšší ako tlak vo vnútri kladnej bubliny a je tiež vyšší ako atmosféricky tlak. Tlak vo vnútri kladnej bubliny je tiež nižší než ako tlak atmosféricky.  Ilustrácia AGK je na obr.4.

Obr.4. Atmosféricky guľový kondezátor.

obsahuje látky, ktoré v kontakte s kyslíkom horia, resp. vybuchujú. Vnútorný obsah AGK sa môže dostať do kontaktu s kyslíkom jeho difúziou z okolitej atmosféry, alebo tak, že bublina praskne a vybuchne. V prípade, keď AGK obsahuje chemické prímesí je jeho energia vyššia než Energia AGK môže okrem energie elektrostatického poľa mať aj chemickú energiu, ak  udáva vzťah (4).            

    

AGK vznikajúci vo vysokých vrstvách atmosféry je  pozorovaný skôr ako UFO než GB, pretože je len malá pravdepodobnosť, že taký objekt môže prežiť dlhý proces klesania k povrchu Zeme. Avšak aj pri jej povrchu sa občas môžu vyskytnúť podmienky pre vznik AGK. Po údere blesku sa  bleskom generovaný vysoko ionizovaný plyn môže ocitnúť v podmienkach opísaných v odsekoch 2.1 a 2.2 avšak v oveľa menších rozmeroch, pričom chemický obsah uvažovaného okolia môže značne ovplyvniť aktuálnu výplň vzniknutého GB. Podľa [7] GB môže obsahovať uhlík, ozón a niektoré iné chemikálie, ktorých elektrochemické reakcie dávajú dosť energie na relatívne stálu existenciu GB. Náboj vnútornej a vonkajšej bubliny tvoria neutrálny a relatívne kompaktný objekt.

            3.  Tvar a magnetické vlastnosti GB a UFO

Bubliny UFO a GB majú povrchový film, ktorého mechanické napätie im dáva guľový tvar. Ich priemerná hmotnostná hustota je približne rovná hmotnostnej hustote okolitého vzduchu a tak sa UFO, či GB stáva hračkou v rukách vetra. Veľký objekt ako UFO môže v horizontálne prúdiacom vzduchu získať rotáciu okolo vertikálnej osi a v dôsledku odstredivých síl nadobudne diskový tvar. Teraz  môžeme predpokladať, že uhlová rýchlosť rotácie vnútornej bubliny je o veľa menšia než uhlová rýchlosť rotácie vonkajšej bubliny Rozdielny rotačný stav oboch bublín generuje magnetické pole, ktoré tiež prispieva k odstredivým silám a v interakcii s magnetickým poľom Zeme vyvoláva bizarný pohyb celého objektu. Dodatočné magnetické pole je tiež generované ako dôsledok drobných výbojov v medzere bublín. Toto vedie k pomalému a pravdepodobne aj tichému zániku celého objektu. V prípade, že BL, alebo UFO narazia na ostrý predmet, čím sú donútene rýchlo zaniknúť, uvoľnia svoju energiu v krátkom časovom intervale s vysokým výkonom.

4. O možnosti prechodu GB stenou

Predpokladajme, že GB sa priblížil k stene. V okamihu dotyku GB a steny začnú takmer súčasne prebiehať  nasledovné procesy:

1. GB je neutrálny objekt, ale keď sa priblíži k stene, jeho vonkajšia sféra pôsobí ako záporný náboj a elektrostatickou indukciou vyvolá za stenou rýchly pohyb kladných iónov k stene, kým záporný je od nej odpudzovaný vytvárajúc tak podmienku pre vznik vonkajšej bubliny. Kladný náboj pri stene je jadrom budúcej vnútornej bubliny.

2. V rovnakom čase záporná sféra GB začne byť nestabilná a v dôsledku odpudivých síl sa začne rozpadať.

3. Teraz sa kladná bublina rýchlo blíži k stene a odpudzuje kladné ióny na jej opačnej strane , kým záporne sa k nej približujú a obklopujú kladné jadro formujúc tak nový GB.

4. Elektrické náboje pôvodného GB sa rozptyľujú, vzájomne neutralizujú, čo vedie k jeho zániku.

Dynamika  procesov prebiehajúcich pri prieniku GB stenou je veľmi podobná tým, ktoré sme opísali v odseku 2.2. Prechod GB stenou je teda procesom jeho súčasnej anihilácie  a kreácie.

      

            5. Návrh experimentálnej verifikácie predloženej hypotézy

            Verifikovať nevrhnutú hypotézu môžeme vykonaním experimentu, ktorého základná myšlienka môže byť pochopená z obr. 5 a ktorá napodobňuje podmienka vzniku AGK. Experiment by mal byť vykonaný nasledovne: Rovinný kondenzátor (1) má elektródy pokryté tenkou vrstvou dielektrickej látky (2). K elektródam je privedené vysoké napätie.

Obr. 5. Schematický náčrt aparatúry  simulujúcu podmienky pre generáciu AGK. Rovinný kondenzátor (1), dielektrická vrstva (2), zdroj ionizačného žiarenia (3)
a zdroj plazmy sú základné prvky aparatúry.

Medzera medzi doskami kondenzátora je vyplnená plynom, ktorý obsahuje najmä polárne molekuly. Zdroj ionizačného žiarenia (3) ožaruje plyn v medzere a produkuje ióny,  ktoré sa zhromažďujú pri elektródach a vytvárajú tak zónu kladného  (A), resp. záporného náboja (B).  Keď predpokladáme, že zóny (A) a (B) sú dostatočne nasýtené iónmi, vypneme zdroj (3) a súčasne do priestoru medzi doskami injektujeme bublinu plazmy. Táto procedúra by mala dávať možnosť generovať GB, alebo UFO. Je zrejmé, že optimálna doba ionizácie, ako aj hodnota napätia na kondenzátore, objem injektovanej plazmy a chemické zloženie výplne kondenzátora musia byť určené empiricky.

6. Záver  

Uvedená  diskusia je iba hypotézou. Je však možné ju experimentálne verifikovať a tým aj dokázať. Je tu ukázané, že GB a UFO sú analogické objekty. Líšia sa iba podmienkami ich vzniku. Kým UFO vzniká vo vyšších vrstvách atmosféry, GB je kreovaný pri povrchu Zeme. Pomerne veľké množstvo rôznych pozorovaní, ktoré opisujú GB v rôznych podmienkach a s rôznorodým správaním, môže byť vysvetlené našou hypotézou, ktorá tvrdí,  že BL je AGK, ktorého prejav závisí najmä od  chemického  zložeia jeho objemu. Môžeme tiež tvrdiť, že UFO nie je optická ilúzia, ale obrovský AGK vyplnený polárnymi molekulami a ľahkým atómovým plynom. Priemerná hmotnostná hustota je približne rovná hmotnostnej hustote atmosféry a preto UFO môže rýchlo meniť svoj pohybový stav prispôsobujúc sa vejúcemu vetru. Jeho optický index lomu má inú hodnotu než optický index lomu atmosféry a preto je viditeľný. V dôsledku iskrenia medzi vnútornou a vonkajšou sférou generuje elektromagnetický šum.

Literatúra

[1] Barry J D 1980 Ball Lightning and Beat Lightning Extreme Forms of Atmospheric Electricity (New York: Plenum Press)

[2] Brand W 1923 Der Kugelblitz (Hamburg: H Grand)

[3] Lowke W J 1996 Phys.D:Appl. phys. 29 1237

[4] Tessan M De 1859b Fortschr.Phys. 15 62

[5] Tchvirinskyi P N 1967 Priroda 6 98

[6] Stachanov I P 2979 Fizitcheskaya priroda molnii (Moskva: Atomizdat)

[7] Smirnov I M 1987 Problema sharovoj molnii (Moskva: Nauka)