Τι είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί;

Συχνές ερωτήσεις, Δεκέμβριος 2003

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.

Αλλά και πρόσφατα, το 1998, το πλήρωμα ενός αεροπλάνου είδε μπάλες φωτιάς να σχηματίζονται μέσα στην άτρακτο.

Έχουν καταγραφεί πάνω από 10.000 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 ζεστός, 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 1200^ο 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.

Η τελευταία εξήγηση το Σεπτέμβριο του 2003

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 30.000^ο C.

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.

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, http://www.eskimo.com/~billb/tesla/ballgtn.html, NewScientist,

Πληροφορίες

• Ball lightning
• FutureFrame
• Ball Lightning Experiments Produce UFOs
• Scientific American
• Great Moments in Science
• sci.geo.meteorology