Молния в верхних слоях атмосферы или ионосферная молния - это термины, которые иногда используются исследователями для обозначения семейства короткоживущих явлений электрического пробоя, которые происходят значительно выше высот обычных молний и грозовых облаков. Считается, что молнии в верхних слоях атмосферы представляют собой электрически индуцированные формы светящейся плазмы . Предпочтительным использованием является переходное световое явление (TLE), поскольку различные типы электрических разрядов в верхних слоях атмосферы не имеют некоторых характеристик более известных тропосферных молний.
Кратковременные световые явления также наблюдались на изображениях верхних слоев атмосферы Юпитера в далеком ультрафиолетовом диапазоне , высоко над высотой водяных облаков, производящих молнии. [1] [2]
Характеристики
Существует несколько типов TLE, наиболее распространенными из которых являются спрайты . Спрайты - это вспышки яркого красного света, возникающие над штормовыми системами. C-спрайты (сокращение от «столбчатые спрайты») - это название, данное вертикальным столбцам красного света. C-спрайты с усиками иногда называют «морковными спрайтами». К другим типам TLE относятся ореолы спрайтов, призраки, синие самолеты, гигантские самолеты, пикси, гномы, тролли, синие стартеры и эльфы. Аббревиатура ELVES (« Излучение света и возмущения очень низкой частоты из-за источников электромагнитных импульсов ») относится к единственному событию, которое обычно считается множественным. TLE - это вторичные явления, которые происходят в верхних слоях атмосферы в связи с грозовой молнией . [4]
TLE обычно длятся от менее миллисекунды до более 2 секунд. Первая видеозапись TLE была сделана случайно 6 июля 1989 года, когда исследователь RC Franz оставил камеру включенной на ночь, чтобы рассмотреть ночное небо. При просмотре отснятого видео на двух кадрах фильма появились два пальцеобразных вертикальных изображения. Следующие известные видеозаписи TLE были сделаны в 1989 году, когда космический корабль STS-34 проводил эксперимент по наблюдению мезомасштабных молний. 21 октября 1989 г. TLE'S были зарегистрированы во время орбиты шаттла 44 и 45. TLE были захвачены различными оптическими системами записи , при этом общее количество недавних зарегистрированных событий (начало 2009 г.) оценивается во многие десятки тысяч. По данным спутниковых наблюдений ( FORMOSAT-2 ) глобальная частота возникновения TLE оценивается в несколько миллионов событий в год.
История
В 1920-х годах шотландский физик К.Т.Р. Уилсон предсказал, что электрический пробой должен происходить в атмосфере над сильными грозами. [5] [6] В последующие десятилетия пилоты самолетов сообщали о высотных электрических разрядах и не принимали во внимание метеорологи до тех пор, пока в 1989 году не было задокументировано первое прямое визуальное свидетельство. Несколько лет спустя оптические сигнатуры этих событий были названы «спрайтами». исследователям, чтобы избежать непреднамеренного намека на физические свойства, которые в то время еще были неизвестны. Термины красные спрайты и синие самолеты приобрели популярность после того, как в 1994 году был распространен видеоклип после кампании исследования самолетов по изучению спрайтов.
Спрайты
Спрайты - это крупномасштабные электрические разряды, которые происходят высоко над грозовым облаком или кучево-дождевыми облаками , вызывая довольно разнообразный диапазон визуальных форм. Они вызываются разрядами положительной молнии между грозовой тучей и землей. [7] явления были названы после озорных спрайтов , например, Шекспир Ариэль или шайба , [8] , а также является аббревиатура S tratospheric / мезосферы P erturbations R esulting от Я ntense Т hunderstorm Х lectrification. [9] Обычно они окрашены в красновато-оранжевый или зеленовато-синий цвет, с свисающими усиками внизу и дугообразными ветвями вверху. Им также может предшествовать красноватый ореол, известный как ореол спрайта. Они часто встречаются группами на высоте от 50 до 90 километров (56 миль) над поверхностью Земли . Спрайты наблюдались тысячи раз. [10] Спрайты несут ответственность за необъяснимые аварии с участием высотных транспортных средств над грозами. [11]
Струи
Хотя струи считаются типом молний в верхних слоях атмосферы, было обнаружено, что они являются компонентами тропосферных молний и типа разряда из облака в воздух, который возникает во время грозы и распространяется вверх. Напротив, другие типы TLE электрически не связаны с тропосферной молнией, несмотря на то, что они запускаются ею. Два основных типа самолетов - синие и гигантские . Синие стартеры считаются более слабой формой синих струй.
Синие струи
Считается, что синие струи инициируются как «нормальные» разряды молнии между верхней положительной областью заряда в грозовом облаке и отрицательным «экранирующим слоем», находящимся над этой областью заряда. Положительный конец цепочки лидеров заполняет область отрицательного заряда до того, как отрицательный конец заполняет область положительного заряда, а положительный лидер впоследствии покидает облако и распространяется вверх. Ранее считалось, что синие струи не имеют прямого отношения к вспышкам молний, и что присутствие града каким-то образом привело к их возникновению. [12] Они также ярче спрайтов и, как следует из их названия, имеют синий цвет. Считается, что этот цвет обусловлен набором синих и близких к ультрафиолетовому излучению линий нейтрального и ионизированного молекулярного азота . Впервые они были записаны 21 октября 1989 года на монохромном видео грозы на горизонте, сделанном с космического корабля "Шаттл", проходящего над Австралией . Синие струи встречаются гораздо реже, чем спрайты. К 2007 году было получено менее сотни изображений. Большинство этих изображений, включая первые цветные изображения, связаны с одной грозой. Они были сделаны в 1994 году во время серии полетов самолетов для изучения спрайтов. [13] Совсем недавно источник и формирование синих струй наблюдали с Международной космической станции . [4]
Синие стартеры
Голубые стартеры были обнаружены на видео во время ночного исследовательского полета вокруг гроз [14] и, по-видимому, являются «восходящим световым явлением, тесно связанным с голубыми струями». [15] Они кажутся короче и ярче синих струй, достигая высоты всего до 20 км. [16] «Синие стартеры выглядят как синие струи, которые никогда этого не делают», - считает доктор Виктор Пасько, доцент кафедры электротехники. [17]
Гигантские самолеты
В то время как синие струи, как полагают, возникают между верхней областью положительного заряда и отрицательным экранирующим слоем непосредственно над этой областью, кажется , что гигантские струи возникают между областями верхнего положительного и нижнего отрицательного заряда в грозовом облаке. В процессе, аналогичном тому, как формируются синие струи, область с более высоким зарядом разряжается сетью лидеров до того, как то же самое происходит в области с более низким зарядом, и один конец сети лидеров распространяется вверх от облака к ионосфере. Гигантские струи достигают больших высот, чем синие струи, а верхняя часть струи меняет цвет с синего на красный.
Наблюдения
14 сентября 2001 года ученые из обсерватории Аресибо сфотографировали гигантскую струю - вдвое превышающую высоту наблюдавшихся ранее - достигающую около 70 км (45 миль) в атмосферу. [18] Джет находился над грозой над океаном и длился менее секунды. Первоначально было замечено, что реактивный самолет движется со скоростью около 50 000 м / с (110 000 миль / ч; 180 000 км / ч) со скоростью, аналогичной типичной скорости молнии, которая увеличилась до 160 000 и 270 000 м / с (360 000–600 000 миль / ч; 580 000–970 000 км). / ч), но затем разделился на две части и ускорился вверх со скоростью не менее 2 000 000 м / с (4 500 000 миль в час; 7 200 000 км / ч) к ионосфере, где затем распространился яркой вспышкой света.
22 июля 2002 года пять гигантских самолетов длиной от 60 до 70 километров (35 и 45 миль) были замечены над Южно-Китайским морем со стороны Тайваня , сообщает Nature . [19] [20] Струи продолжались менее секунды, а формы исследователи сравнили с гигантскими деревьями и морковью.
10 ноября 2012 г. Китайский научный бюллетень сообщил о гигантском джете, наблюдавшемся над грозой на материковом Китае 12 августа 2010 г. «Событие GJ, которое было четко зарегистрировано в восточном Китае (центр шторма расположен на 35,6 ° с.ш., 119,8 ° в.д. , недалеко от Хуанхайского моря ) ». [21]
2 февраля 2014 года Обсерватория Оро-Верде в Аргентине сообщила о десяти или более явлениях гигантских джетов, наблюдавшихся во время грозы на юге Энтре-Риос . Центр шторма находился на 33 ° ю.ш., 60 ° з.д., недалеко от города Росарио . [ необходима цитата ]
13 августа 2016 года фотограф Фебе Пан сделал четкую широкоугольную фотографию гигантского джета на широкоугольный объектив во время съемки метеоров Персеиды на вершине пика Ши Кенг Конг в провинции Гуандун [22], а Ли Хуалонг запечатлел тот же самый джет из более отдаленное место в Цзяхэ, Хунань, Китай. [23]
28 марта 2017 года фотограф Джефф Майлз запечатлел четыре гигантских самолета над Австралией. [24]
16 октября 2019 года пилот Крис Холмс снял в высоком разрешении видео гигантского реактивного самолета с высоты 35000 футов (10,6 км) над Мексиканским заливом недалеко от полуострова Юкатан. [25] С расстояния 35 миль (56 км) видео Холмса показывает, как синяя лента поднимается от вершины грозы до ионосферы, становясь красной наверху. Только после этого блестящий лидер белой молнии медленно ползет с вершины облака, достигая примерно 10% высоты гигантской струи перед тем, как исчезнуть.
ЭЛЬФЫ
ELVES ( излучение света и возмущения очень низкой частоты из-за источников электромагнитных импульсов ) часто проявляется в виде тусклого, сплющенного, расширяющегося свечения диаметром около 400 км (250 миль), которое длится, как правило, всего одну миллисекунду . [26] Они происходят в ионосфере на высоте 100 км над землей во время гроз . Некоторое время их цвет был загадкой, но теперь считается, что это красный оттенок. ELVES были впервые зарегистрированы во время другой миссии шаттла, на этот раз у Французской Гвианы 7 октября 1990 года. [15] Эти ELVES были обнаружены на видео с шаттла командой Mesoscale Lightning Experiment (MLE) в Центре космических полетов им. Маршалла , штат Алабама. Главный исследователь, Ота Х. «Скит» Воган-младший.
ELVeS является прихотливы акроним для Е миссии L пролета и V ERy низкой частоты возмущении в связи с E lectromagnetic Pulse S ources. [27] Это относится к процессу, посредством которого генерируется свет; возбуждение молекул азота из-за столкновений электронов (электроны, возможно, были возбуждены электромагнитным импульсом, вызванным разрядом от подстилающей грозы).
Тролли, пикси, призраки и гномы
Тролли
ТРОЛЛИ (переходные красные оптические светящиеся линеаменты) возникают после сильных спрайтов и появляются как красные пятна со слабыми хвостами, а на высокоскоростных камерах появляются как быстрая серия событий, начиная с красного свечения, которое формируется после усика спрайта, который позже производит красную полосу вниз от себя. Они похожи на струи. [28] [29]
Пикси
Пикси были впервые замечены летом 2000 года в рамках программы STEPS - многоорганизационной полевой программы по изучению электрических характеристик гроз на Высоких равнинах . Серия необычных явлений с белым свечением на вершине грозы наблюдалась в течение 20-минутного периода, продолжительностью в среднем 16 миллисекунд каждое. Позже их окрестили пикси. Они меньше 100 метров в поперечнике. Они не имеют отношения к молнии. [28]
Призраки
Призраки ( G выбросы Reen из возбужденного O xygen в S prite Т OPS) являются слабым, зеленым светятся , которые появляются после того, как красные спрайты, исчезают в миллисекундах. [30] Впервые они были замечены в 2019 году профессиональным охотником за штормами Хэнком Шима и Полом Смитом . [31] Никаких научных журналов по этим явлениям пока не существует из-за их недавнего открытия, но они наблюдались в видеозаписи. Наблюдатели предположили, что их зеленое свечение исходит от возбужденных атомов кислорода, так же как полярные сияния выглядят зелеными, однако это не подтверждено.
Гномы
Гномы - это маленькие короткие лучи света, которые указывают вверх от вершины наковальни грозового облака, вызванные сильными восходящими потоками, выталкивающими влажный воздух над наковальней. Они длятся всего несколько микросекунд. [28] Они имеют ширину около 200 метров и высоту до 1 километра. Их цвет неизвестен, так как они наблюдались только на черно-белых кадрах. [32]
Смотрите также
- Аврора
- Тепловая молния
- Шумановские резонансы
- Спрайт (молния)
- Огонь святого Эльма
- Стив (атмосферное явление)
Рекомендации
- ^ a b Giles, Rohini S .; Грейтхаус, Томас К .; Бонфонд, Бертран; Гладстон, Дж. Рэндалл; Каммер, Джошуа А .; Хюэ, Винсент; Гродент, Денис Ц .; Жерар, Жан-Клод; Versteeg, Maarten H .; Вонг, Майкл Х .; Болтон, Скотт Дж. (26 октября 2020 г.). «Возможные кратковременные световые явления, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы Юпитера». Журнал геофизических исследований: планеты . 125 (11): e06659. arXiv : 2010.13740 . Bibcode : 2020JGRE..12506659G . DOI : 10.1029 / 2020JE006659 . S2CID 225075904 .
- ^ «Юнона обнаруживает на Юпитере спрайтов и эльфов» . Небо и телескоп . 2020-10-28 . Проверено 29 октября 2020 .
- ^ «Летняя ночь приносит духи» . Проверено 24 июня 2015 .
- ^ a b https://www.sciencenews.org/article/space-station-detectors-found-source-weird-blue-jet-lightning
- ^ CTR Wilson (1924) «Электрическое поле грозовой тучи и некоторые из ее эффектов», Труды Лондонского физического общества , 37 (1): 32D-37D. Доступно в Интернете по адресу: University of São Paulo .
- ↑ Эрл Р. Уильямс (ноябрь 2001 г.) «Спрайты, эльфы и тлеющие газоразрядные трубки», Physics Today , 54 (11): 41–47. Доступно в Интернете по адресу: Physics Today. Архивировано 27 мая 2012 г., на сайте archive.today .
- ^ Боччиппио, ди-джей; Уильямс, ER; Хекман, SJ; Лион, Вашингтон; Бейкер, ИТ; Болди, Р. (август 1995 г.). «Спрайты, переходные процессы в формате ELF и положительные штрихи на земле». Наука . 269 (5227): 1088–1091. Bibcode : 1995Sci ... 269.1088B . DOI : 10.1126 / science.269.5227.1088 . PMID 17755531 . S2CID 8840716 .
- ↑ Со страницы 128 из: Джон Фридман, Из ниоткуда: История молний (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Random House, Inc., 2008):
«Доктор Дэвис Сентман из Университета Аляски, один из немногих ученых изучая эти светящиеся, похожие на привидения явления [то есть спрайтов], он назвал жуткие вспышки разноцветных огней в честь озорных духов воздуха Шекспира - Ариэль из «Бури» и Пак из «Сон в летнюю ночь». - ^ "Духи и эльфы в атмосфере | Университет Пенсильвании" .
- ^ Уолтер А. Лайонс и Миши Д. Шмидт (2003). P1.39 Открытие красных спрайтов как возможность для неформального научного образования. Американское метеорологическое общество . Проверено 18 февраля, 2009.
- ^ STRATOCAT - История и современность стратосферных шаров. «Полный отчет о неконтролируемом свободном падении стратосферного воздушного шара, спровоцированном Спрайтом» .
- ^ Фрактальные модели синих струй, синие стартеры показывают сходство, отличия от красных спрайтов
- ^ 'Red Sprites & Blue Jets - видео' [1] , 'Blue Jets & Blue Starters - видео' [2] .
- ^ Примеры можно увидеть в клипе «Blue Jets & Blue Starters - видео» [3] .
- ^ а б Boeck, WL; и другие. (Май 1998 г.). «Роль видеозаписей космического шаттла в открытии спрайтов, самолетов и эльфов» . Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 60 (7–9): 669–677. Bibcode : 1998JASTP..60..669B . DOI : 10.1016 / S1364-6826 (98) 00025-X .
- ↑ Blue jets. Архивировано 11 мая 2008 г., в Wayback Machine.
- ^ Фрактальные модели синих струй, синие стартеры показывают сходство, отличия от красных спрайтов.
- ^ Пасько, Виктор П .; Стэнли, Марк А .; Мэтьюз, Джон Д .; Inan, Umran S .; Вуд, Трой Г. (2002). «Электрический разряд от вершины грозового облака в нижнюю ионосферу». Природа . 416 (6877): 152–154. Bibcode : 2002Natur.416..152P . DOI : 10.1038 / 416152a . PMID 11894087 . S2CID 1933570 .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 2007-07-02 . Проверено 21 апреля 2007 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Гигантские самолеты запечатлены на камеру
- ^ Ян, Цзин; Фэн, Гуйли (2012). "Китайский научный бюллетень 2012, том 57 DOI: 10.1007 / s11434-012-5486-3" . Китайский научный бюллетень . 57 (36): 4791. Полномочный код : 2012ЧСБУ..57.4791Y . DOI : 10.1007 / s11434-012-5486-3 .
- ^ "Машина времени Spaceweather.com" . spaceweather.com . Проверено 16 августа 2016 .
- ^ «Спрайты молнии» .
- ^ «Гигантские самолеты над Австралией» .
- ↑ Филлипс, Т. (25 октября 2019 г.). Близкое знакомство с гигантским самолетом. Получено с https://spaceweatherarchive.com/2019/10/25/close-encounter-with-a-gigantic-jet/
- ^ ELVES, учебник для начинающих: Нагревание ионосферы электромагнитными импульсами от молнии
- ^ Свободный словарь - ЭЛЬФЫ
- ^ а б в Бакалавр наук о Земле. «Как изучаются спрайты» . ThoughtCo . Проверено 10 июля 2020 .
- ^ «Атмосферные явления» . castle-kaneloon.tripod.com . Проверено 10 июля 2020 .
- ^ Филлипс, доктор Тони (31 мая 2020 г.). «Представляем, Зеленый Призрак» . Spaceweather.com . Проверено 10 июля 2020 .
- ^ Шима, Хэнк (25 мая 2019 г.). «Красные духи и синие струи объяснили - новое открытие!» . YouTube .
- ^ Лайонс, Уолтер; Нельсон, Томас; Армстронг, Рассел; Пасько Виктор; Стэнли, Марк (2002-11-19). «НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ ОТ ГРОЗОВЫХ ВЕРШИН» (PDF) .
Внешние ссылки
- Домашняя страница кампании Eurosprite, входящей в состав исследовательской группы CAL (Coupled Atmospheric Layers)
- 2 марта 1999 г., Университет Хьюстона: Физики UH преследуют загадки, подобные молнии. Цитата: «... Красные духи и синие струи - короткие, но мощные вспышки, похожие на молнии, которые появляются на высотах 40–100 км (25–60 миль). выше грозы ... "
- Наземные и воздушные наблюдения за спрайтами и джетами
- Баррингтон-Ли, К.П., " ЭЛЬФЫ : Нагревание ионосферы электромагнитными импульсами молнии (праймер) ". Лаборатория космических наук, Беркли.
- « Спрайты Дарвина '97 ». Группа космической физики Университета Отаго.
- Гиббс, У. Уэйт, « Спрайты и ЭЛЬФЫ: странные кузены Молнии мерцают быстрее, чем сам свет ». Сан-Франциско. ScientificAmerican.com.
- Баррингтон-Ли, Кристофер, " Исследования СНЧ на станции Палмер ".
- Спрайты, джеты, изображения и статьи в формате TLE
- Высокоскоростное видео (10000 кадров / с), снятое Хансом Стенбеком-Нильсеном, Университет Аляски
- Видео раскрывает секреты молний 'Sprite' , статья Livescience, 2007.
- Видео доказательства
- Астрономический снимок НАСА за день: гигантские джеты над Оклахомой (29 августа 2007 г.) Фотографии и видео двух отдельных гигантских джетов над Оклахомой.
- Гигантские струи между грозовой тучей и ионосферой.
- Огромные таинственные вспышки во внешней атмосфере
- Галерея Спрайтов
- http://webarchive.loc.gov/all/20020914103454/http://elf.gi.alaska.edu/
- Бесконечный короткометражный фильм, вдохновленный спрайтом
- Облачные вспышки | ZT Research