20 lat temu, w nocy z 5-6 lipca 1989 roku, miało miejsce ważne wydarzenie w historii eksploracji planety Ziemi. John Randolph Winkler, emerytowany profesor, 73-letni weteran NASA, skierował kamerę wideo o wysokiej czułości na chmury burzowe, a następnie, patrząc na nagranie klatka po klatce, odkrył dwa jasne błyski, które w przeciwieństwie do błyskawic nie spadały na ziemię, ale do jonosfera. W ten sposób odkryto skrzaty - największe z wyładowań na dużych wysokościach w ziemskiej atmosferze. Wyraźnie potwierdzili istnienie globalnego obwodu elektrycznego na naszej planecie i stworzyli nowe możliwości jego badań.
Dowiedzmy się więcej na ten temat …
Wyładowania zarejestrowane przez Johna Winklera rozpoczęły się z wysokości 14 kilometrów, a ich wymiary sięgały ponad 20 kilometrów. Mechanizm prowadzący do ich pojawienia się był niejasny, a ogłoszenie wyładowania elektrycznego wznoszącego się z granic troposfery na taką wysokość wymagało wiele naukowej odwagi.
Aby uzyskać bardziej przekonujące dowody, entuzjastyczny Winkler czekał, aż huragan Hugo uderzy w Minnesotę i w nocy z 22 na 23 września ponownie zarejestrował wiele podobnych wyładowań na dużych wysokościach przez chmury burzowe. Co ciekawe, formalnie prowadził te badania jako amator, ponieważ nie znajdowały się one w żadnym programie naukowym. Ale Winkler oczywiście nie był amatorem i działał zdecydowanie, jak człowiek wyraźnie świadomy swojej misji. Z jego wcześniejszej pracy w NASA ma wadliwą szybką kamerę wideo. Przekonał dziekana wydziału fizyki na University of Minnesota, aby przeznaczył 7 000 dolarów na jego naprawę i zainstalował sprzęt do analizy zapisów w swoim domu.
Unikalne nagranie gigantycznych wyładowań przerażało Winklera tak samo, jak go uszczęśliwiało. A jeśli taki wyładowanie uderzy w samolot? Naukowiec zwrócił się do swoich kolegów z NASA z ostrzeżeniem. Zaczęli wątpić. Jakie są zrzuty? Ale z szacunku dla przeszłości Winklera, przyjrzeli się nagraniom lotów promów kosmicznych. I nie mogli uwierzyć własnym oczom: na filmach znaleziono kilkanaście takich wyładowań. Winkler miał rację. Jako profesjonalista doprowadził sprawę do logicznego końca - publikacje w czołowych czasopismach naukowych Geophysical Research Letters (1989) i Science (1990).
Film promocyjny:
Artykuły dosłownie zszokowały specjalistów z astronomii, elektryczności atmosferycznej, fizyki radiowej, akustyki atmosfery, fizyki wyładowań gazowych i bezpieczeństwa lotniczego. Po tych publikacjach NASA nie mogła już ignorować potencjalnego zagrożenia dla statków kosmicznych i rozpoczęła szczegółowe badanie wyładowań na dużych wysokościach. Podczas trzech lat przygotowań do tej pracy, Winkler był wielokrotnie konsultowany, ale nigdy nie został uwzględniony w samym programie.
Już pierwszej nocy obserwacji, 7 lipca 1993 r., Na stacji naukowej w pobliżu Fort Collins (Kolorado), zaskoczeni badacze zarejestrowali ponad 240 wyładowań na dużych wysokościach. Następnej nocy na pokładzie samolotu DC-8 zostało rozmieszczone specjalne laboratorium latające, aby wykluczyć błąd w określaniu wysokości. Wyniki przekroczyły wszelkie oczekiwania: ogromne rozbłyski wykryto na wysokości co najmniej 50-60 kilometrów. Na cześć niespokojnego Paka ze „Snu nocy letniej” Szekspira nadano im imię duszków, czyli duchów powietrza. Oczywiście pojawiło się pytanie: dlaczego wcześniej nie wiedzieli o tych wyładowaniach, skoro każdy potężny front burzy generuje ich dziesiątki?
Analiza literatury wykazała, że przez setki lat wielu ludzi widziało niezwykłe i bardzo duże wyładowania ponad chmurami. Nazywano je błyskawicami rakietowymi, mętnymi wyładowaniami stratosferycznymi, wznoszącymi się błyskawicami, a nawet błyskawicami z chmury do kosmosu. Ale przy braku wiarygodnych dowodów po prostu zignorowano dziwne raporty naocznych świadków. Zwolnili nawet tak znanego i szanowanego specjalistę w dziedzinie elektryczności atmosferycznej, jak laureat Nagrody Nobla Charles Thomson Wilson, który o podobnym zjawisku pisał w swoim artykule w 1956 roku. Trzeba było sprytu, doświadczenia, wytrwałości i nieustraszoności profesora Johna Winklera, aby „tego nie można było” bardzo szybko zmienić w „ale kto tego nie wie”. Teraz w wielu filmach w Internecie możesz szczegółowo przeanalizować te kategorie.
John Winkler zmarł w 2001 roku. Nie popracował więcej na nartach wysokogórskich, choć trudno uwierzyć, że nie chciał - po takim a takim sukcesie. Jego publikacja w Science był regularnie przywoływana, ale najwyraźniej nie była uwzględniana w projektach. Nekrolog napisany przez jego kolegów jest wyrazem niechęci do niego. Ale na próżno. Czerwone i fioletowe skrzaty są codziennie pozdrawiane Johnowi Randolphowi Winklerowi, ponieważ nauczył ludzi ich widzieć.
Wkrótce naukowcy odkryli cały pokaz świetlny rozgrywający się w górnych warstwach atmosfery ponad ołowianymi burzami. Główni aktorzy w nim (w kolejności od dołu do góry): niebieskie dżety, które czasami nazywane są krasnali (ponieważ są na dole), pośrodku są czerwono-fioletowe skrzaty i aureole, a nad nimi czerwonawe pierścienie - elfy unoszące się na wysokości. Ale oczywiście nie możemy zapominać o reżyserze stojącym za wspaniałym spektaklem - to dobrze znane burzowe chmury i błyskawice. Właściwie jeszcze niedawno trupa była liczniejsza, ale badacze stopniowo pozbywali się duchów, meduz (niektóre rodzaje skrzatów) i innych dźwięcznych „żywych stworzeń”.
Należy zaznaczyć, że ćwiczenia w pięknych imionach to nie tylko zabawa w stylu „żartów z fizyki”, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Podobnie jak w show biznesie, tak iw nauce promocja idei i trendów odgrywa ważną rolę, bo tu i tam toczy się walka o zasoby. Dziedzina nauki, którą słyszy opinia publiczna, jest zwykle bardziej hojnie finansowana. Pamiętaj przynajmniej o nanotechnologii, o której wszyscy mówią, ale nikt tak naprawdę nie potrafi wytłumaczyć, czym ona jest i dlaczego trzeba tam kierować tyle pieniędzy. Wróćmy jednak do naszego występu i przedstawmy bardziej szczegółowo najbardziej szanowanej publiczności.
Elfy są najbardziej ulotne i krótkotrwałe w rodzinie wysokogórskiej. Te świecące czerwono-fioletowe pierścienie pojawiają się w niższej jonosferze na wysokości 80-100 kilometrów. W mniej niż milisekundę poświata pojawiająca się w centrum rozszerza się na 300-400 kilometrów i gaśnie. Elfy nie zostały szczegółowo zbadane, prawdopodobnie dlatego, że nie budzą wielu kontrowersji i nie obiecują poważnych postępów w zrozumieniu natury wyładowań atmosferycznych. Rodzą się trzy dziesięciotysięczne sekundy (300 mikrosekund) po silnym uderzeniu pioruna z chmury burzowej w ziemię. Jego pień staje się „anteną nadawczą”, z której z prędkością światła wychodzi potężna sferyczna fala elektromagnetyczna o bardzo niskiej częstotliwości. W ciągu 300 mikrosekund po prostu osiąga wysokość 100 kilometrów, gdzie wzbudza czerwono-fioletową poświatę cząsteczek azotu. Im dalej fala idzieim szerszy staje się pierścień, dopóki nie zniknie ze źródła.
Niebieskie odrzutowce lub gnomy to najbardziej tajemnicze, rzadkie i trudne do zaobserwowania stworzenia w grupie nowych wyładowań na dużych wysokościach. Gnom wygląda jak niebieski, wąski odwrócony stożek, zaczynając od górnej krawędzi chmury burzowej i czasami osiągając 40 kilometrów wysokości. Prędkość propagacji niebieskich dżetów wynosi od 10 do 100 km / s. Ale najdziwniejsze jest to, że ich wygląd nie zawsze kojarzy się z widocznymi uderzeniami piorunów. Na wysokościach, z których wystrzeliwane są odrzutowce, ciśnienie jest nadal stosunkowo wysokie i nic dziwnego, że są niebieskie. Tak świecą pioruny, wyładowania koronowe na drutach, wyładowania iskrowe, a nawet płomienie o wysokiej temperaturze. Jest to również blask cząsteczek azotu, ale nie w czerwono-fioletowym pasku, jak w przypadku elfów, ale w ultrafioletowo-niebieskim.
Oprócz zwykłych odrzutowców z górnej krawędzi chmury odrywają się czasem tak zwane niebieskie startery. Nie wznoszą się powyżej 30 kilometrów. Niektórzy naukowcy uważają, że jest to po prostu piorun skierowany w górę w obszar, w którym ciśnienie gwałtownie spada, a zatem rozruszniki rozszerzają się znacznie bardziej niż konwencjonalna błyskawica. Inni uważają je za słabo rozwinięte odrzutowce.
Ale najciekawszy rodzaj niebieskich dżetów nazwano gigantycznymi dżetami. Zaczynając niedaleko powierzchni Ziemi, osiągają 90 kilometrów wysokości. Zainteresowanie geofizyków gigantycznymi dżetami dopasowanymi do ich wielkości, ponieważ wyładowania te wykonują „nieprzerwany lot” z troposfery bezpośrednio do jonosfery. Są jednak niezwykle rzadkie i zostały wiarygodnie zarejestrowane nie więcej niż kilkanaście razy. Jednocześnie żyją przez ułamek sekundy, co w zasadzie pozwala je dostrzec gołym okiem.
Teoria odrzutowca dopiero stawia pierwsze kroki. Nie jest nawet jasne, jak wygląda to zjawisko. Jeśli z natury są blisko świetlistego kanału błyskawicy na etapie rozwoju, staje się jasne, dlaczego narodziny dżetu nie są związane z błyskawicą: to samo jest błyskawicą. Być może jednak bliższą analogią jest wyładowanie wewnątrz chmury burzowej, która energetyzuje kanał błyskawicy. W takim przypadku jeszcze trudniej będzie zrozumieć naturę dżetów, ponieważ teoria takich wyładowań jest na wczesnym etapie rozwoju.
Najwięcej obserwacji i publikacji poświęconych jest duszkom czerwonym. To są prawdziwe gwiazdy popu wśród wyładowań atmosferycznych na dużych wysokościach. Czasami wydaje się, że zainteresowanie nimi jest tak samo przegrzane, jak popularnymi piosenkarzami. Dlaczego zasłużyli na taką uwagę? Chodzi zapewne o to, że są łatwe do zaobserwowania (jeśli oczywiście wiesz, że jest to możliwe). Każdego dnia na świecie rodzą się dziesiątki tysięcy duszków i to niesamowite, że tak długo ich nie zauważano.
Duszki są bardzo jasnymi flarami wolumetrycznymi, które występują na wysokości 70-90 kilometrów i schodzą 30-40 kilometrów, a czasem i więcej. W górnej części ich szerokość sięga niekiedy kilkudziesięciu kilometrów. Są to największe zrzuty na dużych wysokościach. Podobnie jak elfy, duszki są blisko spokrewnione z piorunami, ale nie ze wszystkimi. Większość wyładowań atmosferycznych uderza w ujemnie naładowaną część chmury (średnio jest ona bliżej ziemi). Ale 10% pioruna uderzającego w ziemię zaczyna się w obszarze ładunku dodatniego, a ponieważ główny obszar lokalizacji ładunku dodatniego jest większy niż obszar ujemnego, dodatnia błyskawica jest silniejsza. Uważa się, że tak potężne wyładowania powodują powstawanie duszków, które migają w mezosferze około jednej setnej sekundy po wyładowaniu z chmury na ziemię.
Czerwono-fioletowy kolor skrzatów, podobnie jak elfów, jest związany z atmosferycznym azotem. Górna część duszka świeci równomiernie, ale poniżej 70 kilometrów wyładowanie wydaje się być utkane z kanałów o grubości setek metrów. Ich struktura jest najbardziej interesującą cechą duszków do zbadania. Kanały nazywane są serpentynami przez analogię do dobrze znanych wyładowań igłowych na ostrych krawędziach obiektów podczas burzy i przewodów wysokiego napięcia. To prawda, że grubość ziemskich serpentyn jest rzędu milimetra, aw sprite'ach są one 100 000 razy większe. Nie jest jeszcze jasne, dlaczego średnica serpentyn rośnie tak bardzo - znacznie szybciej niż ciśnienie powietrza spada wraz z wysokością.
Halo to jednolita czerwono-fioletowa poświata na wysokości około 80 kilometrów. Powód wyładowania jest najwyraźniej taki sam jak w przypadku górnej części duszków, ale w przeciwieństwie do nich, aureola zawsze pojawia się bezpośrednio nad błyskawicą. Duszki mogą być gdzieś z boku. Wydaje się, że istnieje jakiś związek między duszkami a aureolami, ale mechanizm jest nadal niejasny. Czasami pojawiają się razem, czasem osobno. Być może aureola jest górną częścią skrzatów, kiedy siła pola elektrycznego nie była wystarczająca, aby wyładowanie rozprzestrzeniło się w gęstszym niższym powietrzu.
Według Geograficznej mapy burz mieszkańcy równikowych i tropikalnych stref Ziemi mają największe szanse na zobaczenie duszków. To w tym rejonie dochodzi do 78% wszystkich burz. Mieszkańcy Rosji mogą również obserwować skrzaty. Szczyt burz w naszym kraju przypada na lipiec-sierpień. W tym czasie miłośnicy astronomii mogą zobaczyć tak piękne zjawisko, jak duszki.
Zgodnie z American Sprite and Giant Jet Observing Handbook, aby zobaczyć duszki, obserwator musi znajdować się około 100 kilometrów od epicentrum burzy. Aby obserwować dżety, powinien skierować swoją optykę pod kątem 30-35 stopni w kierunku strefy burzy. Wtedy będzie mógł obserwować część jonosfery na wysokości do 50 kilometrów, to w tym rejonie dżety pojawiają się najczęściej. Aby obserwować skrzaty, należy celować lornetką pod kątem 45-50 stopni, co będzie odpowiadać obszarowi nieba na wysokości około 80 km - miejscu, w którym rodzą się skrzaty.
Dla lepszego i bardziej szczegółowego badania duszków, odrzutowców, a tym bardziej elfów, obserwatorowi lepiej jest użyć specjalnego sprzętu kinowego, który pozwoli na szczegółowe nagrywanie niebiańskich rozbłysków. Najlepszy czas na polowanie na skrzaty w Rosji to okres od połowy lipca do połowy sierpnia.
Duszki, podobnie jak błyskawice, występują nie tylko na Ziemi, ale także na innych planetach Układu Słonecznego. Przypuszczalnie to właśnie skrzaty zostały zarejestrowane przez kosmiczne pojazdy badawcze podczas silnych burz na Wenus, Saturnie i Jowiszu.
Duszki i elfy pojawiają się na tak dużych wysokościach z powodu silnej jonizacji powietrza przez pył galaktyczny. Na wysokości ponad 80 kilometrów przewodnictwo prądu jest dziesięć miliardów razy wyższe niż w powierzchniowych warstwach atmosfery.
Nazwa „duszki” pochodzi od nazwy duchów leśnych, o których mowa w komedii Williama Szekspira „Sen nocy letniej”.
Duszki były znane ludzkości na długo przed 1989 rokiem. Ludzie formułowali różne hipotezy dotyczące natury tego zjawiska, w tym fakt, że rozbłyski światła są statkami kosmicznymi obcych. Dopiero po tym, jak John Winkler był w stanie uchwycić klatki skrzatów w jonosferze, naukowcy udowodnili, że są one pochodzenia elektrycznego.
Kolor duszków, dżetów i elfów różni się w zależności od wysokości, na jakiej się pojawiają. Faktem jest, że więcej powietrza koncentruje się w atmosferze bliskiej Ziemi, podczas gdy wysokie stężenie azotu obserwuje się w górnych warstwach jonosfery. Powietrze pali się niebieskim i białym płomieniem, azot - czerwonym. Z tego powodu dżety pod duszkami są przeważnie niebieskie, podczas gdy same duszki i wyższe elfy są czerwonawe.
A oto film przedstawiający bardzo rzadkie zjawisko - wschodzące błyskawice: