Piorun kulisty może być bardziej egzotyczny niż iskry z kuchenki mikrofalowej, ale większość naukowców jest przekonana, że jest nie mniej realny. Martin A. Uman, przewodniczący wydziału inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Florydy w Gainesville wyjaśnia:
„Piorun kulisty jest dobrze udokumentowanym zjawiskiem w tym sensie, że był widziany i konsekwentnie opisywany przez ludzi ze wszystkich dziedzin życia od czasów starożytnych Greków. Nie istnieje żadna przyjęta teoria na temat tego, co go powoduje. Piorun kulisty niekoniecznie składa się z plazmy; na przykład, może być wynikiem procesu chemiluminescencji. Literatura obfituje w spekulacje na temat fizyki błyskawicy kulistej.”
Peter H. Handel w thedepartment of physics and astronomy at the University of Missouri at St. Louis przedstawił szczegółowy przegląd i postępuje jego faworyzowany model pioruna kulistego:
„Według badań statystycznych przeprowadzonych przez J. R. McNally w 1960 roku (J. R. McNally, „Preliminary Report on BallLightning” w Proceedings of the Second Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society, Gatlinburg,No. 2AD5 , Paper J-15, pp. 1AD25), piorun kulisty był widziany przez 5 procent populacji ziemi. Odsetek ten jest mniej więcej taki sam jak ułamek populacji, która widziała zwykłe uderzenie pioruna w bliskiej odległości – to jest wystarczająco blisko, aby zobaczyć bezpośredni punkt uderzenia pioruna.
„Piorun kulisty był widziany i opisany od starożytności, często przez grupy ludzi, i zapisane w wielu miejscach. Ogólnie opisywany jest jako świetlista kula, najczęściej wielkości głowy małego dziecka. Pojawia się zwykle podczas burz, czasami w ciągu kilku sekund od błyskawicy, ale czasami bez widocznego związku z błyskawicą. W niektórych przypadkach, piorun kulisty pojawia się po burzy, a nawet przed nią. Jego czas trwania jest bardzo zróżnicowany, od kilku sekund do kilku minut; średni czas trwania wynosi około 25 sekund. Czas życia pioruna kulistego ma tendencję do zwiększania się wraz z wielkością i zmniejszania się wraz z jasnością. Kulki, które wydają się wyraźnie pomarańczowy i niebieski wydają się trwać dłużej niż średnia. Wiele z tych ogólnych cech opiera się na pracy A. I. Grigorieva, który przeanalizował ponad 10.000 przypadków piorunów kulistych (A. I. Grigoriev, „Statistical Analysis of the Ball Lightning Properties”, w Science of Ball Lightning, pod redakcją Y. H. Ohtsuki, World ScientificPublishing Co., Singapur, 1988, str. 88AD134).
„Piorun kulisty zwykle porusza się równolegle do ziemi, ale wykonuje pionowe skoki. Czasami spada z chmur, innym razem nagle materializuje się w pomieszczeniach lub na zewnątrz albo wchodzi do pomieszczenia przez zamknięte lub otwarte okno, przez cienkie niemetalowe ściany lub przez komin. Kiedy przechodzi przez zamknięte okna, piorun kulisty uszkadza je z małymi otworami około jednej trzeciej czasu. Kule nie mają obserwowalny efekt pływalności. Wszystkie te cechy doprowadziły wielkiego rosyjskiego fizyka Pyotr Kapitsa w 1955 roku do interpretacji pioruna kulistego jako wyładowanie bezelektrodowe spowodowane przez stojące fale UHF nieznanego pochodzenia obecne między ziemią a chmurą; wcześniejsze wersje tego pomysłu pochodzą z lat 30-tych.
„Naukowcy od tego czasu udoskonalili spekulacje Kapitsy. Teoria Masera-Solitona, którą po raz pierwszy opisałem w 1975 roku (P.H. Handel, „Maser Theory of Ball Lightning” w Bulletin of the American Physical Society Series II, Vol. 20, No. 26), jest dzisiejszą wersją podejścia opartego na wyładowaniach UHF. Od 1992 roku kieruję badaniami nad teorią Masera-Solitona w Centrum Naukowym im. Kurczatowa w Moskwie. Zgodnie z tą teorią, zewnętrzne pioruny kuliste są powodowane przez maser atmosferyczny – analogiczny do lasera, ale działający przy znacznie niższej energii – o objętości rzędu wielu kilometrów sześciennych.
„W kategoriach technicznych, maser jest generowany przez inwersję populacji indukowanej w rotacyjnych poziomach energetycznych cząsteczek wody przez krótki impuls pola związany z błyskawicą smugową. Duża objętość powietrza, która jest dotknięta przez uderzenie utrudnia fotonom ucieczkę zanim spowodują „mikrofalowe wzmocnienie poprzez stymulowaną emisję promieniowania” (efekt masera). O ile objętość powietrza nie jest bardzo duża lub nie jest zamknięta w przewodzącej jamie (jak to ma miejsce w przypadku piorunów kulistych w samolotach lub łodziach podwodnych i do pewnego stopnia również w pomieszczeniach zamkniętych), zderzenia pomiędzy cząsteczkami pochłoną całą energię inwersji populacji. Jeśli objętość jest duża, maser może wygenerować zlokalizowane pole elektryczne lub soliton, który daje początek obserwowanym wyładowaniom kulistym. Takie wyładowanie nie zostało jednak jeszcze wytworzone w laboratorium.
„Teoria Masera-Solitonu jest wspierana przez trzy dobrze znane fakty. Po pierwsze, piorun kulisty nigdy nie występuje na ostrych szczytach górskich, wysokich budynkach i innych wysokich punktach, które przyciągają pioruny i które są wykorzystywane do badań nad piorunami przez specjalistów zajmujących się elektrycznością atmosferyczną. (Badacz piorunów Karl Berger powiedział mi, że spędził całe życie rejestrując i mierząc setki tysięcy wyładowań atmosferycznych uderzających w jego laboratorium na szczycie góry Salvatore w Lugano we Włoszech, nie trafiając na żaden ślad pioruna kulistego). Niemożność zaobserwowania błyskawicy kulistej w takich warunkach doprowadziła do powszechnej frustracji, a nawet sceptycyzmu co do realności zjawiska. Ale w rzeczywistości, impuls pola pioruna uderzającego w wysokie, szczytowe obiekty jest zlokalizowany w wąskim stożku, który obejmuje stosunkowo niewielką objętość. Zgodnie z teorią Masera-Solitona, to środowisko wyklucza efekt masera. Z drugiej strony, kiedy piorun uderza w równinę, powstający impuls pola jest ogromny: szeroki na około 10 kilometrów i wysoki na trzy kilometry. Piorun kulisty zachowuje więc swoje tajemnice: odwiedza rolnika i unika naukowca!
„Po drugie, piorun kulisty jest nieszkodliwy wewnątrz samolotów i łodzi podwodnych lub w domach, które mają przewodzącą ramę.Ponownie zgodnie z Teorią Masera-Solitona, energia masera w takich warunkach jest ograniczona do około 10 dżuli (w przeciwieństwie do limitu109 do 1010 dżuli na otwartej przestrzeni), zbyt mało, aby być niebezpieczne dla życia.
„I po trzecie, piorun kulisty na otwartej przestrzeni często kończy się gwałtowną eksplozją, czasami powodując rozległe uszkodzenia. Eksplozja jest szczególnie dziwne, ponieważ gwałtownie przemieszcza przewodzących obiektów do większego stopnia niż dielektryków. Na przykład, elektryczne skrzynki przyłączeniowe są czasami wydobyte z wewnątrz ścian domów przezoutdoor piorun kulisty i rzucony na środku ulicy. Teoria Masera-Solitona przewiduje, że takie spikingi wystąpią, gdy ładunek nagle zniknie. (Kiedy wyładowanie, które pochłaniało fotony generowane przez maser nagle znika, fotony te zaczynają żyć dłużej i natychmiast się mnożyć, nieograniczone efektem maserowym. Owo rozmnażanie się wyzwala jeszcze większą natychmiastową lawinę fotonów i praktycznie natychmiastowy wykładniczy wzrost pola elektrycznego. Wzrost ten następuje zbyt szybko, aby spowodować awarię elektryczną lub ogrzewanie, ale może spowodować bardzo duże „siły ponderomotoryczne” – efekty mechaniczne, które mogą rozerwać złożone obiekty o różnych stałych dielektrycznych.)
„Pionierskie eksperymenty Ohtsuki i Ofurutona z wyładowaniami UHF w Japonii (Y. H. Ohtsuki i H. Ofuruton, 'PlasmaFireballs Formed by Microwave Interference In Air' w Nature Vol. 350 (1991), strona 139) oraz wspomniane wyżej badania w moskiewskim Kurchatovinie (V. A. Zhil' tsov, C9. A. Manykin, E. A. Petrenko; oraz A. A. Skovoroda, J. F. Leitner i P. H. Handel, 'Spatially Localized MicrowaveDischarge in the Atmosphere,' w JETP Vol. 81 ,pp. 1072-81) pomogły w rozwiązaniu zagadki pioruna kulistego. Teraz, gdy wydaje się, że rozumiemy prawdziwą naturę pioruna kulistego, jest to szczególnie niefortunne, że nie ma funduszy dostępnych w USA do badania i kontrolowanego odtwarzania tego fascynującego zjawiska.
„Punktem centralnym dla badań nad piorunami kulistymi będzie Piąte Międzynarodowe Sympozjum na temat piorunów kulistych w dniach 26-29 sierpnia 1997 roku, zorganizowane przez Y. H. Ohtsuki i H. Ofuruton z Tokyo Metropolitan College of AeronauticalEngineering (w celu uzyskania informacji, wyślij e-mail do [email protected]). Będę przedstawicielem USA piorun kulisty w Międzynarodowym Komitecie; można się z mną skontaktować pod adresem [email protected]”
Społeczność naukowa jest coraz bardziej przekonany, że piorun kulisty jest prawdziwym zjawiskiem (chociaż istnieją pewne sceptycy). Co może powodować błyskawice kuliste, z drugiej strony, jest źródłem stałej kontrowersji. Wcześniej, prowadziliśmy powyższą teorię. John Lowke, fizyk plazmy w Instytucie Technologii Przemysłowych, CSIRO, w Australii, oferuje inną teorię na temat zjawiska:
„Chociaż istnieje co najmniej jeden podręcznik o piorunach, który kwestionuje istnienie pioruna kulistego i nigdy nie widziałem tego zjawiska osobiście, czuję, że nie ma wątpliwości, że piorun kulisty istnieje. I have talkedto sześć naocznych świadków zjawisk i myślę, że nie ma uzasadnionych wątpliwości co do autentyczności ich obserwacji. Ponadto, raporty są wszystkie niezwykle podobne i mają wspólne cechy z setek obserwacji, które pojawiają się w literaturze.
„Piorun kulisty jestypically opisane jako świecące kuli jeden do 25 centymetrów średnicy o intensywności około 20-watowej żarówki; zjawisko zwykle występuje po uderzeniu pioruna. Prawie zawsze się porusza, ma maksymalną prędkość około trzech metrów na sekundę i unosi się około jednego metra nad ziemią. Ruch może być przeciwny do panującej bryzy i może zmieniać kierunek w sposób nieregularny. Piorun kulisty może trwać do 10 sekund, po czym kula gaśnie albo bezszelestnie, albo z hukiem. Było wiele obserwacji piorunów kulistych wewnątrz domów, a nawet w samolotach. Istnieją również liczne obserwacje piorunów kulistych przechodzących przez zamknięte okna szklane, bez widocznych uszkodzeń szkła. Zazwyczaj nie ma zauważalnej produkcji ciepła, chociaż niedawna obserwacja zgłosiła drewnianą deskę, która została spalona. Kilka peoplehave zgłaszane zapach ozonu i tlenków azotu związanych z piorunami kulistymi, a także statyczne w radiu tranzystorowym.
„Naukowcy havestruggled dla dziesięcioleci sformułować wiarygodne wyjaśnienie dla istnienia stabilnej kuli plazmowej. Gorąca kula plazmy powinna unosić się jak balon z gorącym powietrzem, jednak obserwacje nie wykazują takiego zachowania. Dlaczego taka kula porusza się, zwykle przeciwnie do kierunku wiatru? Jakie źródła energii podtrzymują kulę piorunów, biorąc pod uwagę, że taka kula powinna szybko tracić na intensywności?
„Istnieją setki prac, a co najmniej trzy książki, omawiając piorun kulisty. Większość teorii rodzą więcej pytań niż twierdzą, że rozwiązać. Prawdopodobnie najbardziej znaną teorią byładvanced przez rosyjskiego laureata Nagrody Nobla Pyotr Kapitsa, który twierdził, że piorun kulisty jest spowodowany przez falę stojącą promieniowania elektromagnetycznego. Ale dlaczego miałaby istnieć fala stojąca promieniowania elektromagnetycznego? Inne teorie mówią o różnych źródłach energii dla piorunów kulistych, w tym energii atomowej, antymaterii, płonącego materiału lub pola elektrycznego z chmury.
„Nie ma ogólnie przyjętej teorii pioruna kulistego. Mam swoją własną teorię, opublikowaną w Journal of Physics D: Applied Physics, („A Theory of Ball Lightning as an ElectricDischarge” w Vol. 29, No. 5, strony 1237-1244; May1996). Proponuję, aby piorun kulisty był zasilany przez pole elektryczne związane z wyładowaniami rozproszonymi w ziemi po uderzeniu pioruna. Ruch kuli jest kontrolowany przez prędkość ładunku elektrycznego, jak rozprasza się w ziemi po początkowym okresie „awarii” elektrycznej, która występuje w momencie uderzenia. W moim artykule, I sugerują, że to wyładowanie jest podobny do wyładowania koronowego (jak występuje wokół transformatorów wysokiego napięcia) i składa się z sukcesji impulsów elektrycznych, które odbywają się na amicrosecond skali czasowej.