20 jaar geleden, in de nacht van 5 op 6 juli 1989, vond een belangrijke gebeurtenis plaats in de geschiedenis van de verkenning van de planeet Aarde. John Randolph Winkler, een gepensioneerde professor en een 73-jarige NASA-veteraan, richtte een hooggevoelige videocamera op de onweerswolken en ontdekte toen, beeld voor beeld kijkend naar de opname, twee heldere flitsen, die, in tegenstelling tot bliksem, niet naar de grond gingen, maar tot ionosfeer. Dus werden sprites ontdekt - de grootste van de hooggelegen ontladingen in de atmosfeer van de aarde. Ze bevestigden duidelijk het bestaan van een wereldwijd elektrisch circuit op onze planeet en boden nieuwe mogelijkheden voor de studie ervan.
Laten we hier meer over te weten komen …
De door John Winkler geregistreerde afvoeren begonnen vanaf een hoogte van 14 kilometer en hun afmetingen waren meer dan 20 kilometer. Het mechanisme dat tot hun verschijning leidde, was onduidelijk en er was veel wetenschappelijke moed voor nodig om de elektrische ontlading aan te kondigen die van de grenzen van de troposfeer tot zo'n hoogte opstijgt.
Om meer overtuigend bewijs te krijgen, wachtte een enthousiaste Winkler tot de orkaan Hugo Minnesota trof en in de nacht van 22 op 23 september opnieuw veel gelijkaardige ontladingen op grote hoogte boven onweerswolken registreerde. Interessant is dat hij dit onderzoek formeel als amateur uitvoerde, aangezien het niet in wetenschappelijke programma's was opgenomen. Maar Winkler was natuurlijk geen amateur en handelde resoluut, als een man die zich duidelijk bewust was van zijn missie. Door zijn eerdere werk bij NASA heeft hij een defecte high-speed videocamera. Hij overtuigde de decaan van de natuurkunde-afdeling van de Universiteit van Minnesota om $ 7.000 uit te trekken om het te repareren en installeerde apparatuur om de gegevens in zijn huis te analyseren.
De unieke beelden van de gigantische ontladingen maakten Winkler zowel bang als blij. Wat als een dergelijke ontlading het vliegtuig raakt? En de wetenschapper wendde zich met een waarschuwing tot zijn collega's van NASA. Ze begonnen te twijfelen. Wat zijn de lozingen? Maar uit eerbied voor het verleden van Winkler hebben ze de opnames van de spaceshuttle-vluchten bekeken. En ze konden hun ogen niet geloven: meer dan een dozijn van dergelijke ontladingen werden op de films gevonden. Winkler had gelijk. Als professional bracht hij de kwestie tot een logische conclusie: publicaties in de toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften Geophysical Research Letters (1989) en Science (1990).
Promotie video:
De artikelen schokten letterlijk specialisten in astronomie, atmosferische elektriciteit, radiofysica, atmosferische akoestiek, gasontladingsfysica en ruimtevaartbeveiliging. Na deze publicaties kon NASA de mogelijke dreiging voor ruimtevaartuigen niet langer van zich afschudden en begon een gedetailleerde studie van ontladingen op grote hoogte. Tijdens de drie jaar van voorbereiding op dit werk werd Winkler herhaaldelijk geraadpleegd, maar werd nooit opgenomen in het programma zelf.
Op de allereerste nacht van waarnemingen, 7 juli 1993, registreerden verraste onderzoekers op een wetenschappelijk station nabij Fort Collins (Colorado) meer dan 240 afvoeren op grote hoogte. De volgende nacht werd een speciaal vlieglaboratorium aan boord van het DC-8-vliegtuig ingezet om een fout bij het bepalen van de hoogte uit te sluiten. De resultaten overtroffen alle verwachtingen: enorme fakkels werden gedetecteerd op hoogtes van minimaal 50-60 kilometer. Ter ere van de rusteloze Pak uit Shakespeare's "A Midsummer Night's Dream" kregen ze de naam sprites, dat wil zeggen, luchtgeesten. Natuurlijk rees de vraag: waarom wisten ze niet eerder van deze ontladingen, als elk krachtig onweersfront er tientallen genereert?
Analyse van de literatuur heeft aangetoond dat veel mensen gedurende honderden jaren ongebruikelijke en zeer grote ontladingen boven de wolken hebben gezien. Ze werden raketbliksem genoemd, bewolkte stratosferische ontladingen, opstijgende bliksem en zelfs bliksem naar de ruimte. Maar bij gebrek aan betrouwbaar bewijs werden vreemde ooggetuigenverslagen eenvoudigweg genegeerd. Ze schoven zelfs zo'n bekende en geëerde specialist op het gebied van atmosferische elektriciteit terzijde als Nobelprijswinnaar Charles Thomson Wilson, die in 1956 over een soortgelijk fenomeen schreef in zijn artikel. Het vergde de flair, ervaring, doorzettingsvermogen en onbevreesdheid van professor John Winkler, zodat "dit niet" heel snel kan worden omgezet in "maar wie weet dit niet." Nu kunt u op talloze video's op internet deze categorieën in detail bekijken.
John Winkler stierf in 2001. Hij deed niet meer werk op hoogteverschillen, hoewel het moeilijk te geloven is dat hij dat niet wilde - na zoveel succes. Zijn publicatie in Science werd regelmatig genoemd, maar blijkbaar niet in de projecten opgenomen. Het overlijdensbericht van zijn collega's toont wrok jegens hem. Maar tevergeefs. Elke dag worden rode en paarse sprites aan John Randolph Winkler begroet omdat hij mensen leerde ze te zien.
Al snel ontdekten onderzoekers een hele lichtshow die zich ontvouwde in de bovenste atmosfeer boven de leidende onweersbuien. De hoofdrolspelers daarin (van onder naar boven): blauwe jets, die soms kabouters worden genoemd (omdat ze zich onderaan bevinden), in het midden rood-paarse sprites en halo's, en daarboven roodachtige ringen - elfjes die in de hoogte zweven. Maar we mogen natuurlijk de regisseur achter de grandioze voorstelling niet vergeten - dit zijn de bekende onweerswolken en bliksem. Eigenlijk was de groep niet zo lang geleden talrijker, maar de onderzoekers raakten geleidelijk aan de verwijdering van geesten, kwallen (sommige soorten sprites) en andere sonore "levende wezens".
Opgemerkt moet worden dat oefeningen in mooie namen niet alleen leuk zijn in de stijl van "natuurkunde grappen maken", zoals het op het eerste gezicht lijkt. Net als in de showbusiness speelt in de wetenschap het promoten van ideeën en trends een belangrijke rol, want hier en daar wordt gestreden om middelen. Het wetenschapsgebied dat door het publiek wordt gehoord, wordt meestal genereuzer gefinancierd. Onthoud tenminste nanotechnologie, waar iedereen het over heeft, maar niemand kan echt uitleggen wat het is en waarom er zoveel geld naartoe moet worden gestuurd. Maar laten we terugkeren naar onze uitvoering en iedereen in meer detail voorstellen aan het meest respectabele publiek.
Elfen zijn de meest kortstondige en kortstondige in de familie op grote hoogte. Deze gloeiende roodviolette ringen verschijnen in de lagere ionosfeer op een hoogte van 80-100 kilometer. In minder dan een milliseconde breidt de gloed, die in het midden verschijnt, zich uit tot 300-400 kilometer en vervaagt. De elfen zijn niet in detail bestudeerd, waarschijnlijk omdat ze niet veel controverse veroorzaken en geen serieuze vooruitgang beloven bij het begrijpen van de aard van atmosferische ontladingen. Ze worden drie tienduizendste van een seconde (300 microseconden) geboren na een sterke blikseminslag van een onweerswolk in de grond. Zijn stam wordt een "zendantenne", van waaruit een krachtige sferische elektromagnetische golf van zeer lage frequentie begint met de snelheid van het licht. In 300 microseconden bereikt het net een hoogte van 100 kilometer, waar het de roodviolette gloed van stikstofmoleculen opwekt. Hoe verder de golf gaathoe breder de ring wordt, totdat hij vervaagt van de bron.
Blauwe jets, of kabouters, zijn de meest mysterieuze, zeldzame en moeilijk te observeren wezens in het ensemble van nieuwe afvoeren op grote hoogte. De kabouter ziet eruit als een blauwe, smalle omgekeerde kegel, beginnend vanaf de bovenrand van een onweerswolk en soms wel 40 kilometer hoog. De voortplantingssnelheid van blauwe jets is van 10 tot 100 km / s. Maar het vreemdste is dat hun uiterlijk niet altijd wordt geassocieerd met zichtbare blikseminslagen. Op de hoogten van waaruit de jets worden gelanceerd, is de druk nog steeds relatief hoog, en het is niet verwonderlijk dat ze blauw zijn. Dit is hoe bliksem, corona-ontlading op draden, vonkontlading en zelfs vlammen op hoge temperatuur schijnen. Dit is ook de gloed van stikstofmoleculen, maar niet in de rood-violette streep, zoals bij elfen, maar in ultraviolet-blauw.
Naast gewone jets breken soms zogenaamde blauwe starters uit de bovenrand van de wolk. Ze komen niet boven de 30 kilometer uit. Sommige wetenschappers geloven dat dit slechts een bliksemschicht is die naar boven gericht is in een gebied waar de druk snel daalt, en daarom breiden starters veel meer uit dan conventionele bliksem. Anderen beschouwen het als onderontwikkelde jets.
Maar het meest interessante type blauwe jets worden gigantische jets genoemd. Ze beginnen niet ver van het aardoppervlak en bereiken een hoogte van 90 kilometer. De interesse van geofysici in gigantische jets die bij hun grootte passen, omdat deze ontladingen een "non-stop vlucht" maken van de troposfeer rechtstreeks naar de ionosfeer. Ze zijn echter uiterst zeldzaam en zijn niet meer dan tien keer betrouwbaar opgenomen. Tegelijkertijd leven ze een fractie van een seconde, waardoor ze in principe met het blote oog kunnen worden opgemerkt.
De jettheorie zet pas zijn eerste stappen. Het is nog niet eens duidelijk hoe dit fenomeen eruitziet. Als ze van nature dicht bij het lichtgevende kanaal van bliksem zijn in de ontwikkelingsfase, wordt duidelijk waarom de geboorte van een straal niet met bliksem wordt geassocieerd: het is zelf bliksem. Maar misschien is een nauwere analogie de ontlading in een onweerswolk, die het bliksemkanaal van energie voorziet. In dit geval zal het nog moeilijker zijn om de aard van de jets te begrijpen, aangezien de theorie van dergelijke ontladingen zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt.
Het grootste aantal observaties en publicaties is gewijd aan rode sprites. Dit zijn echte popsterren tussen atmosferische ontladingen op grote hoogte. Soms lijkt de belangstelling voor hen net zo oververhit te zijn als voor populaire zangers. Waarom verdienden ze zoveel aandacht? Het punt is waarschijnlijk dat ze gemakkelijk te observeren zijn (als je natuurlijk weet dat het mogelijk is). Elke dag worden er tienduizenden sprites op de wereld geboren, en het is verbazingwekkend dat ze al zo lang niet zijn opgemerkt.
Sprites zijn zeer heldere volumetrische fakkels die voorkomen op een hoogte van 70-90 kilometer en 30-40 kilometer dalen, en soms meer. In het bovenste gedeelte bereikt hun breedte soms tientallen kilometers. Dit zijn de meest omvangrijke lozingen op grote hoogte. Net als elfen zijn sprites nauw verwant aan bliksem, maar niet allemaal. De meeste blikseminslagen komen uit het negatief geladen deel van de wolk (gemiddeld is deze dichter bij de grond). Maar 10% van de bliksem die op de grond valt, begint vanuit het gebied van een positieve lading, en aangezien het hoofdgebied van de locatie van een positieve lading groter is dan dat van een negatieve, is positieve bliksem krachtiger. Aangenomen wordt dat zulke krachtige ontladingen sprites genereren die ongeveer een honderdste van een seconde na een wolk-naar-aarde-ontlading in de mesosfeer flitsen.
De roodpaarse kleur van sprites, zoals die van elfen, wordt geassocieerd met atmosferische stikstof. Het bovenste deel van de sprite gloeit gelijkmatig, maar onder de 70 kilometer lijkt de ontlading geweven te zijn van honderden meters dikke kanalen. Hun structuur is het meest interessante kenmerk van sprites om te bestuderen. Kanalen worden streamers genoemd naar analogie met de bekende naaldontladingen aan scherpe randen van objecten bij onweer en bij hoogspanningsdraden. Toegegeven, de dikte van aardse streamers is in de orde van een millimeter, en in sprites zijn ze 100.000 keer groter. Het is nog niet duidelijk waarom de diameter van streamers zo veel toeneemt - veel sneller dan de luchtdruk met de hoogte afneemt.
De halo is een uniforme roodpaarse gloed op een hoogte van ongeveer 80 kilometer. De reden voor de ontlading is blijkbaar dezelfde als voor de bovenkant van de sprites, maar in tegenstelling tot hen verschijnt de halo altijd direct boven de bliksemflits. Sprites nemen de vrijheid ergens aan de kant te staan. Er lijkt een verband te bestaan tussen sprites en halo's, maar het mechanisme is nog onduidelijk. Ze verschijnen soms samen, soms afzonderlijk. Misschien is de halo het bovenste deel van de sprites, toen de elektrische veldsterkte niet voldoende was om de ontlading in de dichtere lagere lucht te verspreiden.
Volgens de geografische kaart van onweersbuien hebben inwoners van de equatoriale en tropische zones van de aarde de grootste kans om sprites te zien. Het is in dit gebied dat tot 78% van alle onweersbuien voorkomen. Inwoners van Rusland kunnen ook sprites observeren. De piek van onweersbuien in ons land valt in juli-augustus. Het was in deze tijd dat astronomieliefhebbers zo'n mooi fenomeen als sprites kunnen zien.
Volgens het American Sprite and Giant Jet Observing Handbook moet de waarnemer zich ongeveer 100 kilometer van het epicentrum van het onweer bevinden om de sprites te zien. Om de jets te kunnen observeren, moet hij zijn optiek op 30-35 graden richten op het onweersgebied. Dan zal hij een deel van de ionosfeer kunnen observeren op een hoogte van maximaal 50 kilometer, het is in dit gebied dat jets het vaakst verschijnen. Om de sprites te observeren, moet je de verrekijker in een hoek van 45-50 graden richten, wat overeenkomt met het gebied van de lucht op een hoogte van ongeveer 80 km - de plaats waar sprites worden geboren.
Voor een betere en meer gedetailleerde studie van sprites, jets en nog meer elfen, is het voor de waarnemer beter om speciale bioscoopapparatuur te gebruiken, waarmee de hemelse fakkels in detail kunnen worden opgenomen. De beste tijd om op sprites te jagen in Rusland is van half juli tot half augustus.
Sprites worden, net als bliksem, niet alleen op aarde gevonden, maar ook op andere planeten van het zonnestelsel. Vermoedelijk waren het de sprites die werden opgenomen door ruimteonderzoeksvoertuigen tijdens zware stormen op Venus, Saturnus en Jupiter.
Sprites en elfen verschijnen op zulke grote hoogten vanwege de sterke ionisatie van de lucht door galactisch stof. Op een hoogte van meer dan 80 kilometer is de geleidbaarheid van stroom tien miljard keer hoger dan in de oppervlaktelagen van de atmosfeer.
De naam "sprites" komt van de naam van de bosgeesten, waarnaar wordt verwezen in de komedie "A Midsummer Night's Dream" van William Shakespeare.
Sprites waren al lang vóór 1989 bekend bij de mensheid. Mensen hebben verschillende hypothesen geuit over de aard van dit fenomeen, inclusief het feit dat lichtflitsen buitenaardse ruimteschepen zijn. Pas nadat John Winkler frames van sprites in de ionosfeer kon vastleggen, bewezen wetenschappers dat ze van elektrische oorsprong zijn.
De kleur van sprites, jets en elfen verschilt afhankelijk van de hoogte waarop ze verschijnen. Feit is dat er meer lucht geconcentreerd is in de atmosfeer die bijna op aarde ligt, terwijl een hoge concentratie stikstof wordt waargenomen in de bovenste lagen van de ionosfeer. Lucht brandt met blauwe en witte vlammen, stikstof - rood. Om deze reden zijn de jets onder de sprites overwegend blauw, terwijl de sprites zelf en, hoger, elfen, roodachtig zijn.
En hier is een video van een zeer zeldzaam fenomeen - stijgende bliksem: