Czy zagadka piorunów kulistych została rozwiązana? | Ziemia

Seria zdjęć przedstawiających powstawanie zjawiska przypominającego błyskawicę kulistą w laboratorium. Image via David M. Friday et. al/ BBC.

Piorun kulisty jest jednym z najbardziej znanych zjawisk naturalnych, które niewielu widziało. Do ostatnich lat większość naukowców pozostawała sceptyczna wobec pioruna kulistego; wydawał się on bardziej mitem niż rzeczywistością. Obecnie, piorun kulisty jest bardziej wiarygodny wśród naukowców, ale nadal jest tak, że większość zdjęć, które można zobaczyć w Internecie twierdząc, że są piorun kulisty są po prostu prześwietlone zdjęcia zwykłych błyskawic. W rzeczywistości, żaden zapytany przez nas ekspert nie potrafił wskazać nam rzeczywistego obrazu pioruna kulistego w naturze. Co to jest piorun kulisty? Od czasów wczesnych Greków pojawiają się doniesienia o małych kulach jasnego światła przypominającego plazmę, które przemieszczają się nad ziemią, a następnie znikają. Wyjaśnienie tego zjawiska nadal pozostaje w dużej mierze poza zasięgiem naukowców, choć obecnie oferuje się wiele różnych wyjaśnień. A teraz istnieje potencjalna nowa odpowiedź, oparta na wcześniejszych badaniach, na tę zaskakującą zagadkę.

Badania zostały opublikowane w nowej recenzowanej pracy w wydaniu czasopisma Optik z lipca 2019 r. przez Vladimira Torchigina z Rosyjskiej Akademii Nauk.

Jak sama nazwa wskazuje, piorun kulisty często był uważany za formę błyskawicy. W rzeczywistości jednak może tak nie być; może to nie być prawdziwy piorun. Wcześniej zaproponowana hipoteza przez Torchigin zasugerował, że te dziwne kulki są po prostu światło uwięzione wewnątrz sfery cienkiego powietrza. Nowy papier teraz rozszerza się na tym pomyśle i proponuje parametry fizyczne, jak te rzeczy mogą istnieć.

Torchigin wcześniej zasugerował, że kulki światła składają się z fotonów – cząstek elementarnych, które są podstawowe jednostki światła – rykoszet wewnątrz bańki powietrza własnej produkcji. Jego hipoteza opiera się na założeniu, że jak każda cząstka absorbuje i emituje promieniowanie elektromagnetyczne, to następuje odrzut zwany siłą Abrahama-Lorentza. Światło rozlewające się od uderzenia pioruna powoduje drgania cząsteczek powietrza, które pochłaniają i przekazują promieniowanie elektromagnetyczne.

Siły te są zwykle bardzo małe, ale mogą zostać wzmocnione w odpowiednich warunkach: wytworzenie cienkiej warstwy powietrza, która załamuje światło z powrotem na siebie. Z abstraktu artykułu:

Wykazujemy, że tajemnicze i intrygujące zachowanie błyskawicy kulistej, obserwowane przez wielu naocznych świadków, można wyjaśnić przy założeniu, że błyskawica kulista składa się tylko ze światła i sprężonego powietrza. W przeciwieństwie do bańki mydlanej, sferyczna powłoka pioruna kulistego składa się z silnie sprężonego powietrza, w którym zwykłe białe światło obraca się we wszystkich możliwych kierunkach. Światło ściska powietrze dzięki optycznemu ciśnieniu elektrostrykcyjnemu. Z kolei powłoka ze sprężonego powietrza jest dwuwymiarowym światłowodem, który uniemożliwia propagację światła w wolnej przestrzeni. Piorun kulisty jest więc samoograniczającym się światłem w nieliniowym ośrodku optycznym w postaci konwencjonalnej atmosfery powietrznej.

Cienka warstwa powietrza przypominałaby powłokę bańki mydlanej. Ta „bańka” mogłaby skupiać światło jak soczewka. Kiedy światło jest wystarczająco intensywne, cząsteczki powietrza byłyby przesuwane do zewnętrznej granicy – warstwy bańki – gdzie fotony mogłyby być skupiane przez kilka sekund.

Rycina z 1901 roku przedstawiająca obserwację błyskawicy kulistej. Image via Wikimedia.

Niektóre z tych „embrionalnych” baniek szybko znikały z powodu braku światła lub niecałkowicie zamkniętej powierzchni bańki. Te, które trwały dłużej, byłyby tym, co nazywamy piorunami kulistymi.

Jak więc Torchigin doszedł do tych wniosków?

Hipoteza jest połączeniem wcześniejszych założeń z modelami fizycznymi, które określają gęstość światła i ciśnienie powietrza wymagane do wytworzenia takich skupiających światło baniek. Czy jest to pełna odpowiedź? Jeszcze nie. Istnieją pewne szczegóły, których jeszcze nie wyjaśnia, takie jak przypadek w Chinach kilka lat temu, gdzie piorun kulisty został zgłoszony po uderzeniu pioruna. Zdarzenie to zostało uchwycone na spektrografie, więc naukowcy byli w stanie uzyskać rozkład jego widma elektromagnetycznego. To może również nie wyjaśnić siarkowe zapachy czasami zgłaszane. Ale może to prowadzić do eksperymentów, które albo potwierdzić lub obalić tę najnowszą propozycję, jak piorun kulisty działa.

Piorun kulisty został zgłoszony przez wieki. Kule są zazwyczaj o wielkości grejpfruta, poruszając się powoli nad ziemią. Widziano je podczas burz elektrycznych, stąd wczesne teorie, że były one po prostu inna forma błyskawicy. Zwykle znikają po 10 sekundach, cicho, ale czasami słychać huk. Zaobserwowano nawet, że przechodzą przez zamknięte okna!

Koncepcja artysty kuli błyskawicy orb.

W innej teorii, University of Canterbury inżynier John Abrahamson zasugerował, że piorun kulisty może być wynikiem parowania materiału ziemi jest popychany w górę przez falę uderzeniową powietrza. Odparowana krzemionka kondensuje się w nanocząstki – mikroskopijne cząstki o przynajmniej jednym wymiarze mniejszym niż 100 nanometrów – i jest związana ładunkami elektrycznymi. Świeci na gorąco w wyniku reakcji chemicznej między krzemem a tlenem w powietrzu.

Trzy podstawowe cechy błyskawicy kulistej zostały opisane w latach 70. przez Stanleya Singera: czas trwania, ruch unoszący się i nagłe zniknięcie. Wszystkie muszą być uwzględnione w proponowanych teoriach.

Jeden z najwcześniejszych udokumentowanych doniesień o piorunach kulistych pochodzi z burzliwej niedzieli w 1638 roku. Kościół parafialny w Devonshire, Anglia, poszedł w płomieniach w wyniku i niektórzy z ludzi wewnątrz zginęli. Od tego czasu odnotowano tysiące obserwacji. Piorun kulisty, lub przynajmniej coś podobnego, został nawet stworzony w laboratorium. W badaniach z 2007 roku, opublikowanych w czasopiśmie Physical Review Letters, naukowcy z Federalnego Uniwersytetu Pernambuco w Brazylii wykorzystali energię elektryczną do odparowania maleńkich płytek krzemu. W ten sposób powstały niebieskie lub pomarańczowo-białe kule wielkości piłek pingpongowych, które unosiły się w powietrzu nawet przez osiem sekund.

Dolna granica: Piorun kulisty od dawna był tajemniczym zjawiskiem, którego wyjaśnienie wymykało się naukowcom przez setki lat. Ale dzięki ciągłym badaniom naukowców takich jak Torchigin, wydaje się, że odpowiedź na tę zagadkę może być w końcu bliska.

Źródło: Fizyka pioruna kulistego w postaci bańki światła

Via Science Alert

Paul Scott Anderson miał pasję do eksploracji kosmosu, która rozpoczęła się, gdy był dzieckiem, gdy oglądał program Carla Sagana „Cosmos”. Będąc w szkole był znany ze swojej pasji do eksploracji kosmosu i astronomii. W 2005 roku założył swojego bloga The Meridiani Journal, który był kroniką eksploracji planetarnej. W 2015 roku blog został przemianowany na Planetaria. Choć interesuje się wszystkimi aspektami eksploracji kosmosu, jego główną pasją jest nauka o planetach. W 2011 roku zaczął pisać o kosmosie na zasadzie freelancera, a obecnie pisze dla AmericaSpace i Futurism (część Vocal). Pisał również dla Universe Today i SpaceFlight Insider, a także został opublikowany w The Mars Quarterly i wykonał dodatkowe pisanie dla znanej aplikacji iOS Exoplanet na iPhone’a i iPada.