stringtranslate.com

Спрайт (молния)

Спрайт над Юго-Восточной Азией , вид из космоса.

Спрайты или красные спрайты — это крупномасштабные электрические разряды , которые происходят в мезосфере , высоко над грозовыми облаками или кучево-дождевыми облаками , вызывая появление разнообразных визуальных форм, мерцающих в ночном небе. Обычно они вызываются разрядами положительных молний между нижележащим грозовым облаком и землей.

Точный

Спрайты выглядят как светящиеся красно-оранжевые вспышки. Они часто появляются скоплениями над тропосферой на высоте 50–90 км (31–56 миль). Отдельные визуальные сообщения о спрайтах датируются как минимум 1886 годом. [1] Впервые они были сфотографированы 4 июля 1989 года [2] учеными из Университета Миннесоты и впоследствии были запечатлены на видео тысячи раз.

Спрайты иногда неточно называют молниями в верхних слоях атмосферы . Однако это явления холодной плазмы , которым не хватает температур горячего канала тропосферных молний, ​​поэтому они больше похожи на разряды флуоресцентных трубок , чем на разряды молний. Спрайты связаны с различными другими оптическими явлениями в верхних слоях атмосферы, включая голубые струи и ELVES . [1]

История

Самый ранний известный отчет был сделан Тойнби и Маккензи в 1886 году. [3] Нобелевский лауреат Ч. Т. Р. Уилсон предположил в 1925 году, на теоретических основаниях, что электрический пробой может произойти в верхних слоях атмосферы, и в 1956 году он стал свидетелем того, что, возможно, могло быть спрайтом. Впервые они были задокументированы фотографически 6 июля 1989 года, когда ученые из Университета Миннесоты , используя видеокамеру для слабого освещения, случайно сделали первое изображение того, что впоследствии стало известно как спрайт. [4]

Через несколько лет после их открытия их назвали спрайтами (духами воздуха) из-за их неуловимой природы. [5] С момента видеосъемки 1989 года спрайты были запечатлены с земли, с самолетов и из космоса и стали предметом интенсивных исследований. Представленное высокоскоростное видео, снятое Томасом Эшкрафтом , Джейкобом Л. Харли, Мэтью Г. Макхаргом и Хансом Нильсеном в 2019 году со скоростью около 100 000 кадров в секунду, достаточно быстрое, чтобы обеспечить лучшую детализацию того, как развиваются спрайты. Однако, согласно блогу APOD НАСА, несмотря на то, что они были зафиксированы на фотографиях и видео в течение более 30 лет, «первопричина» молний спрайтов остается неизвестной, «кроме общей связи с положительной молнией от облака к земле». НАСА также отмечает, что не все штормы демонстрируют молнии спрайтов. [6]

В 2016 году спрайты наблюдались во время прохождения урагана Мэтью через Карибский бассейн. [7] Роль спрайтов в тропических циклонах в настоящее время неизвестна. [8]

Характеристики

Спрайты наблюдались над Северной Америкой , [9] Центральной Америкой , Южной Америкой , [10] Европой , [11] Центральной Африкой ( Заир ), Австралией , Японским морем и Азией и, как полагают, происходят во время большинства крупных грозовых систем.

Роджер (1999) классифицировал три типа спрайтов на основе их внешнего вида. [1]

Спрайты окрашены в красновато-оранжевый цвет [5] в верхних областях, с голубоватыми свисающими усами ниже, и им может предшествовать красноватое гало. Они длятся дольше, чем обычные разряды в нижней стратосфере, которые обычно длятся несколько миллисекунд, и обычно вызываются разрядами положительной молнии между грозовым облаком и землей, [12] хотя спрайты, генерируемые отрицательными наземными вспышками, также наблюдались. [13] Они часто появляются группами по два или более и обычно охватывают диапазон высот от 50 до 90 километров (от 31 до 56 миль), с тем, что кажется усами, свисающими внизу, и ветвями, достигающими выше. [5]

Оптическая визуализация с использованием высокоскоростной камеры со скоростью 10 000 кадров в секунду показала, что спрайты на самом деле являются скоплениями небольших, декаметрового масштаба (10–100 м или 33–328 футов) шаров ионизации, которые запускаются на высоте около 80 км (50 миль) и затем движутся вниз со скоростью до десяти процентов скорости света , за которыми через несколько миллисекунд следует отдельный набор движущихся вверх шаров ионизации. [14] Спрайты могут быть смещены по горизонтали на расстояние до 50 км (31 миля) от места удара молнии, с задержкой после молнии, которая обычно составляет несколько миллисекунд, но в редких случаях может достигать 100 миллисекунд.

На этих кадрах с МКС виден красный спрайт над Восточной Азией непосредственно перед 0:07, прямо над большой вспышкой молнии в правом верхнем углу кадра.

Для того чтобы снимать спрайты с Земли, должны быть соблюдены особые условия: 150–500 км (93–311 миль) ясной видимости мощной грозы с положительным разрядом молнии между облаком и землей, чувствительное к красному свету записывающее оборудование и черное неосвещенное небо. [15]

Механизм

Спрайты возникают вблизи верхней части мезосферы на высоте около 80 км в ответ на электрическое поле, создаваемое вспышками молний в глубинных грозах. Когда достаточно большой положительный удар молнии переносит заряды к земле, верхняя часть облака остается с сильным отрицательным чистым зарядом. Это можно смоделировать как квазистатический электрический диполь, и в течение менее 10 миллисекунд в области над грозой генерируется сильное электрическое поле . При низком давлении верхней мезосферы пробивное напряжение резко снижается, что позволяет произойти электронной лавине . [16] [17] Спрайты получают свой характерный красный цвет из-за возбуждения азота в среде низкого давления верхней мезосферы. При таких низких давлениях гашение атомарным кислородом происходит намного быстрее, чем гашение азотом, что позволяет доминировать выбросам азота, несмотря на отсутствие разницы в составе. [18] [19]

Ореол спрайта

Иногда спрайтам предшествует, примерно за 1 миллисекунду, гало спрайта , область в форме блина слабых, переходных оптических излучений приблизительно 50 километров (31 миля) в поперечнике и 10 километров (6,2 мили) в толщину. Гало центрируется на высоте около 70 километров (43 мили) над инициирующим ударом молнии. Считается, что эти гало создаются тем же физическим процессом, который создает спрайты, но для которых ионизация слишком слаба, чтобы преодолеть порог, необходимый для образования стримера. Иногда их ошибочно принимают за ELVES из-за их визуального сходства и короткой продолжительности. [20] [21] [22]

Исследования, проведенные в Стэнфордском университете в 2000 году, показывают, что, в отличие от спрайтов с яркой вертикальной столбчатой ​​структурой, возникновение гало спрайтов не является необычным в связи с нормальными (отрицательными) разрядами молнии. [22] Исследования, проведенные в 2004 году учеными из Университета Тохоку, показали, что очень низкочастотные излучения происходят одновременно со спрайтами, что указывает на то, что разряд внутри облака может генерировать спрайты. [23]

Сопутствующие повреждения самолета

Спрайты были обвинены в необъяснимых иначе несчастных случаях, связанных с операциями на большой высоте над грозами. Одним из примеров этого является неисправность стратосферного шара НАСА , запущенного 6 июня 1989 года из Палестины, штат Техас . Шар пострадал от неконтролируемого выброса полезной нагрузки во время полета на высоте 120 000 футов (37 000 м) над грозой около Грэхема, штат Техас . Спустя несколько месяцев после аварии расследование пришло к выводу, что инцидент спровоцировал «удар молнии», поднимающийся из облаков. [24] Приписывание аварии спрайту было сделано задним числом, поскольку этот термин был придуман только в конце 1993 года.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Rodger, CJ (1999). «Красные спрайты, восходящие молнии и возмущения ОНЧ». Обзоры геофизики . 37 (3): 317–336. doi :10.1029/2001JA000283.
  2. ^ «NASA — Самородок гелиофизики: Видение спрайтов».
  3. ↑ Тойнби, Генри (14 января 1886 г.). «Метеорологические явления (письмо)». Nature . 33 (846): 245. doi : 10.1038/033245d0 . S2CID  4128139.
  4. ^ Франц, RC; Немзек, RJ; Винклер, JR (1990). «Телевизионное изображение большого восходящего электрического разряда над грозовой системой». Science . 249 (4964): 48–51. Bibcode :1990Sci...249...48F. doi :10.1126/science.249.4964.48. PMID  17787625. S2CID  9343018.
  5. ^ abc Сентман, DD; Уэскотт, EM; Осборн, DL; Хэмптон, DL; Хевнер, MJ (1995). «Предварительные результаты кампании самолетов Sprites94: 1. Красные спрайты». Geophys. Res. Lett . 22 (10): 1205–1208. Bibcode :1995GeoRL..22.1205S. doi :10.1029/95GL00583.
  6. ^ "Sprite Lightning at 100,000 Frames Per Second". APOD.NASA.gov . APOD НАСА (блог Astronomy Picture of the Day) . Получено 19 июля 2022 г. .
  7. ^ «Редкие, красочные молниеносные духи танцуют над ураганом Мэтью». National Geographic . 3 октября 2016 г. Архивировано из оригинала 4 октября 2016 г. Получено 3 октября 2016 г.
  8. ^ "Ураган Мэтью и диапазон дня/ночи". Кооперативный институт исследований метеорологических спутников . Университет Висконсина–Мэдисона. 7 октября 2016 г. Получено 3 ноября 2016 г.
  9. ^ Кэти Берри (1994). Захватывающие цветные вспышки, зафиксированные над электрическими бурями. NASA . Получено 18.02.2009.
  10. ^ Дон Сэвидж и Кэти Берри (1995). Впервые подтверждено наличие спрайтов над штормами за пределами США. NASA . Получено 18.02.2009.
  11. ^ "Редкое атмосферное явление, наблюдаемое в Арме". Архивировано из оригинала 5 сентября 2013 г. Получено 21 августа 2013 г.
  12. ^ Boccippio, DJ; Williams, ER; Heckman, SJ; Lyons, WA; Baker, IT; Boldi, R (август 1995). «Спрайты, переходные процессы ELF и положительные удары по земле». Science . 269 (5227): 1088–1091. Bibcode :1995Sci...269.1088B. doi :10.1126/science.269.5227.1088. PMID  17755531. S2CID  8840716.
  13. ^ Лу, Гаопэн; Каммер, Стивен А; Блейксли, Ричард Дж; Вайс, Стефани; Бисли, Уильям Х (2012). «Морфология молнии и изменение момента импульсного заряда отрицательных разрядов с высоким пиковым током». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 117 (D4): н/д. Bibcode : 2012JGRD..117.4212L. CiteSeerX 10.1.1.308.9842 . doi : 10.1029/2011JD016890. 
  14. ^ Stenbaek-Nielsen, HC; McHarg, MG; Kanmae, T.; Sentman, DD (6 июня 2007 г.). "Наблюдаемые скорости эмиссии в головках стримеров-спрайтов". Geophys. Res. Lett . 34 (11): L11105. Bibcode :2007GeoRL..3411105S. doi : 10.1029/2007GL029881 . L11105.
  15. ^ Грённе, Йеспер. "Første danske 'red sprites' fanget fra Silkeborg". Архивировано 22 августа 2012 г., в Датском метеорологическом институте Wayback Machine , 20 августа 2012 г. Проверено: 20 августа 2012 г.
  16. ^ Зонненфельд, Ричард Г.; Хагер, Уильям У. (1 мая 2013 г.). «Инверсия электрического поля в сигнатуре электрического поля спрайта». Monthly Weather Review . 141 (5): 1731–1735. Bibcode : 2013MWRv..141.1731S. doi : 10.1175/MWR-D-12-00220.1. ISSN  1520-0493.
  17. ^ Pasko, VP; Inan, US; Bell, TF; Taranenko, YN (март 1997). «Спрайты, созданные квазиэлектростатическим нагревом и ионизацией в нижней ионосфере». Journal of Geophysical Research: Space Physics . 102 (A3): 4529–4561. Bibcode : 1997JGR...102.4529P. doi : 10.1029/96JA03528. ISSN  0148-0227.
  18. ^ Сентман, ДД; Стенбек-Нильсен, ХК; МакХарг, МГ; Моррилл, Дж. С. (16 июня 2008 г.). "Плазменная химия спрайтовых стримеров". Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 113 (D11). Bibcode : 2008JGRD..11311112S. doi : 10.1029/2007JD008941. ISSN  0148-0227.
  19. ^ Лю, Нингюй; Пасько, Виктор П. (март 2005 г.). "Система полос молекулярного азота LBH в дальнем УФ-диапазоне стримеров спрайтов". Geophysical Research Letters . 32 (5). Bibcode : 2005GeoRL..32.5104L. doi : 10.1029/2004GL022001. ISSN  0094-8276.
  20. ^ Рина Миясато, Хироши Фукуниси, Юкихиро Такахаси, Майкл Дж. Тейлор, Ханс. К. Стенбек-Нильсен (2002). Характеристики спрайтовых ореолов, вызванных молнией, и механизмы их генерации. Academic Society Home Village. Получено 18.02.2009. [ мертвая ссылка ]
  21. ^ Кристофер Баррингтон Ли (2000). Ореолы спрайтов. Архивировано 17 сентября 2008 г. в Wayback Machine Стэнфордского университета . Получено 18 февраля 2008 г.
  22. ^ ab Barrington-Leigh, CP, US Inan и M. Stanley, «Идентификация спрайтов и эльфов с помощью усиленного видео и широкополосной фотометрии», J. Geophys. Res. 106, № 2, февраль 2001 г.
  23. ^ Окубо, А.; Фукуниси, Х.; Такахаси, И.; Адачи, Т. (2005). "Сферические свидетельства ОНЧ/ЭНЧ-разрядной активности в облаках, создающей спрайты". Geophysical Research Letters . 32 (4): L04812. Bibcode : 2005GeoRL..32.4812O. doi : 10.1029/2004GL021943. S2CID  53059204.
  24. ^ STRATOCAT (2009). "Данные стратосферного воздушного шара, запущенного 6/5/1989 из Columbia Scientific Balloon Facility, Palestine, Texas, US для наблюдения за молекулами, флуоресцентными с помощью лазера" . Получено 18 февраля 2009 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Спрайты (молнии)» .