För 20 år sedan, natten 5-6 juli 1989, ägde en viktig händelse sig i planeringen av planeten Jorden. John Randolph Winkler, en pensionerad professor och en 73-årig NASA-veteran, pekade en högkänslig videokamera mot stormmoln, och så, när han tittade på inspelningen ram för ram, upptäckte två ljusa blixtar, som till skillnad från blixtnedslag inte gick ner till marken, men upp till jonosfär. Så sprites upptäcktes - den största av höghöjdsutsläppen i jordens atmosfär. De bekräftade tydligt förekomsten av en global elektrisk krets på vår planet och gav nya möjligheter för dess studie.
Låt oss ta reda på mer om detta …
De utsläpp som registrerats av John Winkler började från en höjd av 14 kilometer och deras dimensioner var mer än 20 kilometer. Mekanismen som ledde till deras utseende var oklar och det krävde mycket vetenskapligt mod att meddela den elektriska urladdningen som stiger från troposfärens gränser till en sådan höjd.
För att få mer övertygande bevis väntade en entusiastisk Winkler tills orkanen Hugo träffade Minnesota och på natten 23-23 september återigen registrerade många liknande höghöjdsutsläpp över åskmoln. Intressant nog gjorde han formellt denna forskning som amatör, eftersom den inte ingick i några vetenskapliga program. Men Winkler var naturligtvis inte en amatör och agerade beslutsamt, som en man tydligt medveten om sitt uppdrag. Från sitt tidigare arbete på NASA har han en felaktig videokamera med hög hastighet. Han övertalade dekanen för fysikavdelningen vid University of Minnesota till att avsätta 7 000 $ för att reparera den och installerade utrustning för att analysera rekord i hans hem.
De unika bilderna från jätteutladdningarna skrämde Winkler lika mycket som det gjorde honom lycklig. Tänk om en sådan urladdning träffar flygplanet? Och forskaren vände sig till sina kollegor från NASA med en varning. De började tvivla. Vilka utsläpp är det? Men av hänsyn till Winklers förflutna tittade de på inspelningarna av rymdfärjeflygningarna. Och de kunde inte tro sina ögon: mer än ett dussin av sådana urladdningar hittades på filmerna. Winkler har rätt. Som professionell förde han saken till sin logiska slutsats - publikationer i de ledande vetenskapliga tidskrifterna Geophysical Research Letters (1989) och Science (1990).
Kampanjvideo:
Artiklarna chockade bokstavligen specialister inom astronomi, atmosfärisk elektricitet, radiofysik, atmosfärisk akustik, gasurladdningsfysik och rymdsäkerhet. Efter dessa publikationer kunde NASA inte längre ta bort det eventuella hotet mot rymdskepp och inledde en detaljerad studie av utsläpp i hög höjd. Under de tre år som förberedelserna för detta arbete konsulterades Winkler upprepade gånger, men ingick aldrig i själva programmet.
Den första observationsnatten, 7 juli 1993, vid en vetenskaplig station nära Fort Collins (Colorado), förvånade forskare mer än 240 utlopp i hög höjd. Nästa natt utplacerades ett dedikerat flyglaboratorium ombord på DC-8-flygplanet för att utesluta ett fel vid fastställandet av höjden. Resultaten överträffade alla förväntningar: enorma flares upptäcktes i höjder på minst 50-60 kilometer. För att hedra den rastlösa Pak från Shakespeares "A Midsummer Night's Dream" fick de namnet sprites, det vill säga luftsprit. Naturligtvis uppstod frågan: varför visste de inte om dessa utsläpp tidigare, om varje kraftfull åskväder fronten genererar dussintals av dem?
Analys av litteraturen har visat att många hundra år har sett ovanliga och mycket stora utsläpp ovanför molnen. De kallades raket-blixtnedslag, molniga stratosfäriska utsläpp, stigande blixtar och till och med moln-till-rymd-blixt. Men i avsaknad av tillförlitliga bevis ignorerades konstiga rapporter från ögonvittnen helt enkelt. De borstade till och med en så välkänd och hedrad specialist inom atmosfärisk elektricitet som Nobelpristagaren Charles Thomson Wilson, som skrev om ett liknande fenomen i sin artikel redan 1956. Det tog professor John Winklers känsla, erfarenhet, uthållighet och rädsla, så att "detta inte snabbt kan förvandlas till" men vem vet inte detta. " Nu på flera videor på Internet kan du undersöka dessa kategorier i detalj.
John Winkler dog 2001. Han gjorde inte mer arbete på hög höjd, även om det är svårt att tro att han inte ville - efter en sådan och sådan framgång. Hans publikation i Science refererades regelbundet, men uppenbarligen ingick inte i projekten. Nekrologen som skrivits av hans kollegor visar en förbittring för honom. Men förgäves. Röda och lila spriter hälsas till John Randolph Winkler varje dag eftersom han lärde människor att se dem.
Snart upptäckte forskare en hel ljusshow som utvecklas i den övre atmosfären ovanför de åska åskväderna. Huvudaktörerna i den (i ordning från botten till topp): blåstrålar, som ibland kallas nisser (eftersom de är längst ner), i mitten är rödlila spriter och glorier, och ovanför dem är rödaktiga ringar - alver som svävar i höjden. Men naturligtvis får vi inte glömma regissören bakom den storslagna föreställningen - det är de välkända stormmoln och blixtar. Egentligen, inte för länge sedan var truppen mer uttalad, men forskarna blev gradvis av med sprit, maneter (vissa typer av spriter) och andra sonorösa "levande varelser".
Det bör noteras att övningar med vackra namn inte bara är roliga i stil med "fysik skämt", som det kan verka vid första anblicken. Liksom i showbranschen spelar marknadsföring av idéer och trender en viktig roll inom vetenskapen, för här och där är det en kamp för resurser. Det vetenskapliga området som hörs av allmänheten är vanligtvis mer generöst finansierat. Kom ihåg åtminstone nanoteknologi, som alla pratar om, men ingen kan verkligen förklara vad det är och varför så mycket pengar behöver riktas dit. Men låt oss återvända till våra föreställningar och presentera alla mer i detalj för den mest respektabla publiken.
Älvor är de mest flyktiga och kortlivade i höghöjdsfamiljen. Dessa glödande rödviolette ringar förekommer i den lägre jonosfären i 80-100 kilometer höjder. På mindre än ett millisekund expanderar glödet, som visas i mitten, till 300-400 kilometer och bleknar bort. Älvorna har inte studerats i detalj, förmodligen för att de inte orsakar mycket kontroverser och inte lovar allvarliga framsteg när det gäller att förstå arten av atmosfäriska utsläpp. De är födda tre tio tusendels sekund (300 mikrosekunder) efter en stark blixtnedslag från ett åskväder i marken. Dess bagageutrymme blir en "sändande antenn", från vilken en kraftfull sfärisk elektromagnetisk våg med mycket låg frekvens startar med ljusets hastighet. På 300 mikrosekunder kommer den bara till en höjd av 100 kilometer, där den väcker den rödviola glöd av kvävemolekyler. Ju längre vågen gårju bredare ringen blir tills den bleknar bort från källan.
Blåstrålar, eller nissar, är de mest mystiska, sällsynta och svåra att observera varelser i ensemblen av nya höghöjdsutsläpp. Gnomen ser ut som en blå smal inverterad kon, med början från den övre kanten av en åsklöja och ibland når 40 kilometer i höjd. Utbredningshastigheten för blåstrålar är från 10 till 100 km / s. Men det konstigaste är att deras utseende inte alltid förknippas med synliga blixtnedslag. I höjderna från vilka strålarna lanseras är trycket fortfarande relativt högt, och det är inte förvånande att de är blå. Således lyser blixtar, koronautladdning på ledningar, gnistavladdning och till och med höga temperaturer. Detta är också glödet av kvävemolekyler, men inte i den rödvioletta remsan, som när det gäller älvor, men i ultraviolettblått.
Förutom vanliga strålar bryts ibland så kallade blå förrätter upp från molnens övre kant. De går inte över 30 kilometer. Vissa forskare tror att detta bara är en blixtbult riktad uppåt i ett område där trycket sjunker snabbt, och därför börjar utbyggnaden mycket mer än konventionell blixt. Andra anser att de är underutvecklade jetflygplan.
Men den mest intressanta typen av blåstrålar har kallats jättestrålar. De börjar inte så långt från jordens yta och når 90 kilometer i höjd. Geofysikernas intresse för jättestrålar att matcha deras storlek, eftersom dessa utsläpp gör en "non-stop flight" från troposfären direkt till jonosfären. De är emellertid extremt sällsynta och har spelats in på ett tillförlitligt sätt inte mer än ett dussin gånger. Samtidigt lever de en bråkdel av en sekund, vilket i princip tillåter dem att märkas med blotta ögat.
Jetteorin tar bara sina första steg. Det är inte ens klart hur detta fenomen ser ut. Om de i sin natur är nära den lysande kanal i blixt i utvecklingsstadiet, blir det tydligt varför födelsen av en jet inte är förknippad med blixt: den själva är blixt. Men kanske en närmare analogi är urladdningen inuti ett åskväder, som aktiverar blixtkanalen. I det här fallet kommer det att bli ännu svårare att förstå jeternas natur, eftersom teorin för sådana urladdningar befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium.
Det största antalet observationer och publikationer ägnas åt röda sprites. Det här är riktiga popstjärnor bland atmosfäriska utsläpp i hög höjd. Ibland verkar det som att intresset för dem är lika överhettat som hos populära sångare. Varför förtjänade de sådan uppmärksamhet? Poängen är förmodligen att de är lätta att observera (om du naturligtvis vet att det är möjligt). Tiotusentals spriter föds på jordklotet varje dag, och det är fantastiskt att de inte har märkt så länge.
Sprites är mycket ljusa volumetriska signalljus som uppträder på en höjd av 70-90 kilometer och sjunker 30-40 kilometer, och ibland mer. I den övre delen når deras bredd ibland tiotals kilometer. Dessa är de mest omfattande av hög höjd urladdningar. Liksom alver är spiror nära besläktade med blixtar, men inte alla. De flesta blixtnedslag från den negativt laddade delen av molnet (i genomsnitt är det närmare marken). Men 10% av blixtar som slår i marken börjar från området med en positiv laddning, och eftersom huvudområdet för en positiv laddning är större än för en negativ, är positiv blixt kraftigare. Det antas att sådana kraftfulla utsläpp genererar spriter som blinkar i mesosfären ungefär en hundreledel av en sekund efter en moln-till-jorden urladdning.
Den röd-lila färgen på sprites, liksom för alverna, är associerad med atmosfäriskt kväve. Den övre delen av spriten lyser jämnt, men under 70 kilometer verkar urladdningen vara vävd från hundratals meter tjocka kanaler. Deras struktur är det mest intressanta inslaget hos sprites att studera. Kanaler kallas streamers i analogi med de välkända nålutladdningarna vid vassa kanter på föremål i åskväder och vid högspänningsledningar. Visst är tjockleken på landströmmar i storleksordningen en millimeter, och i spriter är de 100 000 gånger större. Det är ännu inte klart varför serverns diameter ökar så mycket - mycket snabbare än lufttrycket minskar med höjden.
Halo är en enhetlig rödlila glöd på cirka 80 kilometer höjd. Anledningen till urladdningen är uppenbarligen densamma som för spritens topp, men till skillnad från dem visas gloria alltid direkt ovanför blixtblixten. Spriter tar sig friheten att vara någonstans på sidan. Det verkar finnas något samband mellan sprites och glorier, men mekanismen är fortfarande oklar. De visas ibland tillsammans, ibland separat. Kanske är gloria den övre delen av spriterna, när den elektriska fältstyrkan inte var tillräcklig för att urladdningen skulle spridas till den tätare undre luften.
Enligt den geografiska kartan över åskväder har invånare i jordens ekvatorial- och tropiska zoner de största chanserna att se spriter. Det är i detta område som upp till 78% av alla åskväder förekommer. Invånare i Ryssland kan också observera spriter. Toppet av åskväder i vårt land faller juli-augusti. Det var vid denna tidpunkt som astronomälskare kan se ett så vackert fenomen som spriter.
Enligt American Sprite and Giant Jet Observing Handbook måste observatören vara cirka 100 kilometer från åskvädernas episentrum för att se spriterna. För att observera strålarna bör han rikta sin optik på 30-35 grader mot åskväderområdet. Då kommer han att kunna observera en del av jonosfären på en höjd av upp till 50 kilometer, det är i detta område som jetstrålar oftast förekommer. För att observera spriterna bör du rikta kikaren i en vinkel på 45-50 grader, vilket kommer att motsvara himmelområdet på en höjd av cirka 80 km - platsen där sprites är födda.
För en bättre och mer detaljerad studie av spriter, jets och ännu mer alver, är det bättre för observatören att använda speciell bioutrustning, som möjliggör detaljerad inspelning av himmelbrännor. Den bästa tiden att jaga efter spriter i Ryssland är från mitten av juli till mitten av augusti.
Sprites, som blixtnedslag, finns inte bara på jorden utan också på andra planeter i solsystemet. Antagligen var det spriterna som registrerades av rymdforskningsfordon under allvarliga stormar på Venus, Saturnus och Jupiter.
Spriter och alver förekommer i så höga höjder på grund av den starka joniseringen av luften med galaktiskt damm. På en höjd av över 80 kilometer är strömledningsförmågan tio miljarder gånger högre än i ytlagren i atmosfären.
Namnet "sprites" kommer från skogspirans namn, som hänvisas till i William Shakespeares komedi "A Midsummer Night's Dream."
Sprites var kända för mänskligheten långt före 1989. Människor har uttryckt olika hypoteser om detta fenomen, inklusive det faktum att ljusblinkar är främmande rymdskepp. Det var först efter att John Winkler kunde fånga ramar av spriter i jonosfären som forskarna bevisade att de är av elektriskt ursprung.
Färgen på sprites, jets och alver skiljer sig beroende på höjden på vilken de visas. Faktum är att mer luft koncentreras i atmosfären nära jorden, medan en hög kvävekoncentration observeras i jonosfärens övre lager. Luft brinner med blå och vit låga, kväve - röd. Av denna anledning är strålarna under spriterna övervägande blå, medan själva spriterna och, högre, alverna, är rödaktiga.
Och här är en video av ett mycket sällsynt fenomen - stigande blixt:
