Τι είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί;

Ένα από τα πιο παράξενα και μυστηριώδη φαινόμενα που συναντάμε κατά τη διάρκεια των καταιγίδων, είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί. Μοιάζουν με κινούμενες φωτεινές σφαίρες, διαστάσεων περίπου 30 εκατοστών ή το μέγεθος ενός πορτοκαλιού και κινούνται για 30 δευτερόλεπτα. Ενώ είχαν παρατηρηθεί από πολύ παλιά (από το Μεσαίωνα) άρχισαν να μελετώνται επιστημονικά μόλις το 1930.

Ο Βενιαμίν Φραγκλίνος έκανε διάφορες προσπάθειες για να παρατηρήσει αυτό το μυστήριο φαινόμενο πάνω από 200 χρόνια πριν. Σε ένα πείραμα του προσπάθησε να φτιάξει σφαιρικό κεραυνό από το συνηθισμένο κεραυνό – που το εμπνεύστηκε από τις αναφορές ενός Ρώσου συγχρόνου του που είχε σκοτωθεί από μια τέτοια σφαίρα στο εργαστήριό του.

Αλλά και το 1754 κάποιος προσπάθησε να επαναλάβει το πείραμα του Βενιαμίν Φραγκλίνου με το χαρταετό. Ενώ προσπαθούσε να ολοκληρώσει τη διαδικασία, μετά από ένα συνηθισμένο χτύπημα κεραυνού πάνω στη μεταλλική ράβδο, σχηματίστηκε μια μπάλα φωτιάς που τον χτύπησε στο κεφάλι, σκοτώνοντάς τον ακαριαία και αφήνοντας ένα κόκκινο σημάδι στο κούτελό του καθώς και δυο τρύπες από φωτιά στις σόλες των παπουτσιών του.

Σε μια άλλη περίπτωση η φωτεινή αυτή σφαίρα άφησε μια τρύπα σε μέγεθος μιας μπάλας στη πόρτα όταν μπήκε σε ένα σπίτι στο Oregon. Αφού κινήθηκε ως το υπόγειο κατέστρεψε μια παλιά μηχανή για το στύψιμο των ρούχων. Το 1998, το πλήρωμα ενός αεροπλάνου είδε μπάλες φωτιάς να σχηματίζονται μέσα στην άτρακτο.

Έχουν καταγραφεί χιλιάδες περιπτώσεις σφαιρικών κεραυνών και φαίνονται αρκετές για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη του μυστηριώδους αυτού φαινομένου. Μάλιστα δεν είναι λίγοι αυτοί που το θεωρούν αυταπάτη παρόλο που υπάρχουν εντυπωσιακές φωτογραφίες του.

Αλλά τι είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί;

Είναι μια επιπλέουσα φωτεινή σφαίρα που παρατηρείται μερικές φορές μετά από τον συμβατικό κεραυνό σε απόσταση λίγων μέτρων από το έδαφος, όμως κάποιες φορές έχουν παρατηρηθεί να δημιουργούνται κοντά στο έδαφος με απουσία κεραυνού. Τέλος σφαιρικοί κεραυνοί έχουν παρατηρηθεί να αιωρούνται σε μεγάλη απόσταση από το έδαφος ή ακόμα και να πέφτουν από ένα σύννεφο προς το έδαφος.

Ο σφαιρικός κεραυνός μπορεί να εμφανιστεί σε οποιοδήποτε χρώμα, αλλά είναι συνήθως λευκός ή κίτρινος κι έχει μια φωτεινότητα συγκρίσιμη με αυτήν ενός λαμπτήρα 100 βάτ. Μπορεί να φανεί καθαρά στο φως της ημέρας ενώ κινείται συνήθως οριζόντια με μια ταχύτητα μερικών μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αλλά δεν ανέρχονται, όπως θα συνέβαινε αν ήταν σφαίρες θερμού αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση και υπό την επίδραση μόνο της βαρύτητας. Πολλές αναφορές ακόμα τους περιγράφουν να περιστρέφονται κατά την κίνηση τους ή ακόμη και να αναπηδούν σε στερεά σώματα, όπως πολλές φορές το έδαφος.

Υπάρχουν περιγραφές ότι οι σφαιρικοί κεραυνοί έκαψαν αχυρώνες και έλιωσαν σύρματα όπως και ότι τον είδαν να πέφτει σε μια λίμνη νερού και να συνοδεύεται από ένα θόρυβο ανάλογο με αυτόν που ακούγεται όταν βυθίζεται ένα καυτό σιδερένιο αντικείμενο σε νερό. Επίσης έχει αναφερθεί μια χαρακτηριστική άσχημη μυρωδιά να συνοδεύει το σφαιρικό κεραυνό, σαν τη μυρωδιά του όζοντος, του καιγόμενου θείου ή του νιτρικού οξέος.

Αλλά, πολλοί επιστήμονες επιχείρησαν να αναπαράγουν το φαινόμενο αυτό και στο εργαστήριο. Έτσι, ασχολήθηκαν με αυτό το φαινόμενο οι Nikola Tesla, Sam Barros, Yoshi-Hiko Ohtsuki και πολλοί άλλοι.



Εξηγήσεις του φαινομένου

Μετά το 1930, ο νομπελίστας Pyotr Kapitsa προσπάθησε να λύσει το αίνιγμα του σφαιρικού κεραυνού. Ο Kapitsa πρότεινε ότι κατά τη διάρκεια των καταιγίδων στάσιμα κύματα υψηλής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με υψηλή συχνότητα, μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ των σύννεφων και του εδάφους μετατρέποντας κεραυνούς σε μια μπάλα πλάσματος. Η θεωρία του Kapitsa έδωσε το έναυσμα για την ανάπτυξη της θεωρίας μέιζερ (maser) και σολιτονίων.

Η Θεωρία του Handel (1975) είναι σήμερα μια προσέγγιση που αναφέρεται σε μια εκκένωση πολύ υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με αυτή ο σφαιρικός κεραυνός προκαλείται από ένα ατμοσφαιρικό μηχανισμό ενίσχυσης μικροκυμάτων (maser) φαινόμενο ανάλογο του laser που όμως λειτουργεί με πολύ λιγότερη ενέργεια και έχει μια ένταση πολλών κυβικών χιλιομέτρων.
Υπάρχουν δε περιπτώσεις που το μέιζερ μπορεί να δημιουργήσει ένα εντοπισμένο ηλεκτρικό πεδίο ή σολιτόνιο το οποίο επιφέρει το σφαιρικό κεραυνό.

Ακολούθησαν οι ερμηνείες και άλλων επιστημόνων, όπως οι John Abrahamson και ο James Dinniss (2002) από το Πανεπιστήμιο του Canterbury της Νέας Ζηλανδίας, που προτείνουν ότι οι σφαιρικοί κεραυνοί εμφανίζονται όταν οξειδώνεται το πυρίτιο στην ατμόσφαιρα μετά από ένα κεραυνό. Τους περιγράφουν δε σαν «σφαίρες φλεγόμενης σιλικόνης που δημιουργούνται από κανονικές αστραπές όταν χτυπούν στο έδαφος».

Οφείλονται λοιπόν, σύμφωνα με τους Abrahamson και Dinnissσε, σε ατμοποιημένους ορυκτούς κόκκους από το έδαφος, που έχουν βρεθεί στην ατμόσφαιρα από ένα κτύπημα κεραυνού. Αυτά τα νανοσωματίδια συνδέονται μαζί κάνοντας αλυσίδες για να σχηματίσουν έτσι μια ‘χνουδωτή’ σφαίρα πυριτίου που μεταφέρεται υψηλά από τα ρεύματα του αέρα. Οι κόκκοι αυτοί αντιδρούν με το οξυγόνο στον αέρα και καίγονται αργά ενώ στη συνέχεια ελευθερώνουν φως.

Αλλά αφού είναι τόσο καυτός γιατί δεν κατευθύνεται προς τα πάνω, όπως συμβαίνει σε ένα μπαλόνι ζεστού αέρα, αλλά κινείται κοντά στο έδαφος; Η απάντηση είναι ότι τα μόρια του πυριτίου έχουν την κατάλληλη πυκνότητα για να εξουδετερώσουν την ανοδική τάση και συγχρόνως ασκείται μια δύναμη από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν οι κεραυνοί.

Έχει βρεθεί όμως ότι αυτή η σφαίρα σχηματίζεται σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία, γύρω στους 1200ο C, και αρχίζει να πυρακτώνεται στο τέλος της σύντομης ζωής της. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τις περιπτώσεις που ο σφαιρικός κεραυνός δημιουργείται ακριβώς μετά το χτύπημα κεραυνού, αλλά καθίστανται ορατοί μόνο αργότερα.
Όταν όμως ο Abrahamson δημιούργησε ένα κεραυνό στο εργαστήριο του και τον έριξε σε δείγμα εδάφους, δημιουργήθηκε το αερόλυμα, αλλά όχι και ο σφαιρικός κεραυνός. Ύστερα ανέβασε τη δύναμη των κεραυνών σε πιο πραγματικά επίπεδα, όμως τότε το δείγμα του χώματος καταστρεφόταν εντελώς πριν να σχηματιστούν ικανοποιητικές ποσότητες ατμού πυριτίου.

Σύμφωνα με τους Abrahamson και Dinniss, η νέα θεωρία τους μπορεί να εξηγήσει τις περισσότερες ιδιότητες του σφαιρικού κεραυνού αλλά δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί παρατηρείται μόνο μέσα από τα αεροσκάφη.

Ο John Gilman του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες πρότεινε ότι μία από τις ιδιότητες του σφαιρικού κεραυνού – η συνοχή που συγκρατεί τη σφαίρα ενωμένη για δεκάδες δευτερόλεπτα – μπορεί να εξηγηθεί με τη βοήθεια των ατόμων Rydberg.

Γενικά θεωρείται ότι ο σφαιρικός κεραυνός, από ορισμένους επιστήμονες, είναι μια σφαίρα από πλάσμα και θεωρούν ότι είναι παρόμοια με τους ιδιαίτερα φωτεινούς δίσκους πλάσματος που σχηματίζονται όταν πυροδοτούνται τα εκρηκτικά.

Είναι λοιπόν ένα είδος πλάσματος, ένα υπερβολικά ζεστό αέριο που συνδέεται με μια αστείρευτη πηγή πλάσματος πάνω στη Γη, τις καταιγίδες με κεραυνούς. Το πλάσμα παράγεται κατά τη διάρκεια που πέφτουν κεραυνοί γιατί τότε συσσωρεύεται ρεύμα αρκετών χιλιάδων Ampere και αναπτύσσονται θερμοκρασίες της τάξης των 30.000οC.

Ο Gilman προτείνει ότι η σφαίρα του πλάσματος έχει μια πολύ χαμηλή πυκνότητα – συγκρίσιμη με την πυκνότητα του αέρα – και φτιάχνεται από άτομα Rydberg. Αυτά είναι άτομα των οποίων το ηλεκτρόνιο σθένους έχει διεγερθεί σε μια τροχιά μεγαλύτερου κβαντικού αριθμού. Υπολογίζεται ότι η ακτίνα ενός τέτοιου τροχιακού θα μπορούσε να είναι μερικά εκατοστά, και ότι το μέσο άτομο θα είχε έτσι πολύ μεγάλη ικανότητα πόλωσης. Οι ελκτικές δυνάμεις Van der Waals – που αυξάνονται καθώς αυξάνεται η πόλωση των ατόμων – θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνες για τη συνοχή μεταξύ των ατόμων. Υπολογίζεται ότι η συνεκτική ενέργεια ανά άτομο είναι περίπου το ένα εκατοστό ενός μετάλλου. Έτσι με αυτόν τον τρόπο η σφαίρα του πλάσματος έχει συνοχή.
Ερευνητές πάλι στην Κίνα αναφέρουν ότι κατέγραψαν σε βίντεο έναν σφαιρικό κεραυνό και η φασματοσκοπική ανάλυση συμφωνεί μάλιστα με μια πρόσφατη θεωρία, σύμφωνα με την οποία οι πύρινες σφαίρες δημιουργούνται όταν ένας κανονικός κεραυνός εξαερώσει τη σκόνη στο έδαφος.

Η θεωρία αυτή δείχνει να ενισχύεται από την κινεζική μελέτη του 2012. Ο Ζιανιόνγκ Τσεν και οι συνεργάτες του παρατηρούσαν μια καταιγίδα με βιντεοκάμερες και φασματογράφους. Κατά τύχη, ο εξοπλισμός τους κατέγραψε μια φωτεινή σφαίρα, διαμέτρου πέντε μέτρων, η οποία σηκώθηκε από το έδαφος και κινήθηκε για περίπου 15 μέτρα. Το όλο συμβάν κράτησε μόλις 1,6 δευτερόλεπτα.

Η φασματική ανάλυση έδειχνε ότι τα κυριότερα χημικά στοιχεία μέσα στη σφαίρα ήταν τα ίδια με αυτά του εδάφους: πυρίτιο, ασβέστιο και σίδηρος. Θα μπορούσε λοιπόν να υποθέσει κανείς ότι η ακραία θερμότητα που απελευθερώνει ένας κεραυνός εξαερώνει το διοξείδιο του πυριτίου αλλά και τον άνθρακα που μπορεί να υπάρχει στο έδαφος από πεσμένα φύλλα. Ο άνθρακας κλέβει το οξυγόνο από το διοξείδιο του πυριτίου, αφήνοντας πίσω του ατμό στοιχειακού πυριτίου. Το πυρίτιο αυτό αντιδρά ακαριαία με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας, και καθώς καίγεται εκπέμπει φως.

Οι φασματικές παρατηρήσεις συνηγορούν στη θεωρία του εξαερωμένου εδάφους, αν κανείς δεν μπορεί να αποδείξει ότι αυτό που καταγράφηκε ήταν πράγματι σφαιρικός κεραυνός. Οι ίδιοι οι ερευνητές, εξάλλου, επισημαίνουν ότι υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις τους. Η μελέτη λοιπόν ίσως είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα, όμως το μυστήριο του σφαιρικού κεραυνού δεν έχει ακόμα λυθεί.

Τέλος, μια άλλη θεωρία με επικεφαλής τον John Lowke του CSIRO επικεντρώνεται στο πώς ο σφαιρικός κεραυνός συμβαίνει σε σπίτια και αεροπλάνα – και πώς μπορεί να περάσει μέσα από το γυαλί. Η θεωρία του προτείνει επίσης να προκαλείται σφαιρικός κεραυνός όταν τα πυκνά κατάλοιπα ιόντων σαρώνουν στο έδαφος ακολουθούμενα από ένα κτύπημα κεραυνού.

Ο Lowke προτείνει ότι σφαιρικοί κεραυνοί συμβαίνουν σε σπίτια και αεροπλάνα όταν ένα ρεύμα ιόντων συσσωρεύεται στο εξωτερικό ενός γυάλινου παραθύρου και το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει από την άλλη πλευρά διεγείρει τα μόρια του αέρα για να σχηματίσει μια ηλεκτρική σφαιρική εκκένωση. Η αποφόρτιση απαιτεί ένα ηλεκτρικό πεδίο περίπου ενός εκατομμυρίου βολτ.

«Άλλες θεωρίες υποδηλώνουν ότι ο σφαιρικός κεραυνός δημιουργείται από αργή καύση σωματιδίων πυριτίου που σχηματίζονται σε μια αστραπή, αλλά αυτό είναι λανθασμένο. Μια από τις παρατηρήσεις αυτού του φαινομένου συνέβη όταν δεν υπήρχε καταιγίδα και δημιουργήθηκε από ιόντα από το ραντάρ του αεροσκάφους, που λειτουργούσε με μέγιστη ισχύ κατά τη διάρκεια μιας πυκνής ομίχλης.

Ακόμη όμως καμία από τις θεωρίες που έχουν διατυπωθεί δεν έχει γίνει κοινώς αποδεκτή. Πιστεύεται μάλιστα ότι για να εξηγηθεί το φαινόμενο θα χρειαστεί η συνδυασμένη γνώση περισσοτέρων από δέκα επιστημονικών πεδίων, από τη φυσική των μέιζερ μέχρι την ανόργανη χημεία.

Αναφορά: Το Μυστήριο του Σφαιρικού Κεραυνού (Ντούνης Σωτήρης – Καβελάκης Ευθύμης, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Ηράκλειο, 2003), PhysicsWeb, Ball Lightning Page, NewScientist,

http://physics4u.gr/blog/2019/01/23/%cf%84%ce%b9-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%ce%bf%ce%b9-%cf%83%cf%86%ce%b1%ce%b9%cf%81%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%ce%ba%ce%b5%cf%81%ce%b1%cf%85%ce%bd%ce%bf%ce%af/