stringtranslate.com

Спрайт (молния)

Спрайт на горизонте, с молнией внизу в тропосфере и над зеленой линией свечения воздуха в верхней мезопаузе и на границе с космосом (яркий свет вверху — Луна).

Спрайты или красные спрайты — это крупномасштабные электрические разряды , которые происходят в мезосфере , высоко над грозовыми облаками или кучево-дождевыми облаками , порождая разнообразные визуальные формы, мерцающие в ночном небе. Обычно они вызываются разрядами положительной молнии между нижележащим грозовым облаком и землей.

Точность

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

Спрайты иногда неточно называют молниями верхних слоев атмосферы . Однако это явления холодной плазмы , которым не хватает температуры горячего канала тропосферной молнии, поэтому они больше похожи на разряды люминесцентных трубок , чем на грозовые разряды. Спрайты связаны с различными другими оптическими явлениями в верхних слоях атмосферы , включая голубые струи и ЭЛЬВЫ . [1]

История

Самый ранний известный доклад принадлежит Тойнби и Маккензи в 1886 году . . Впервые они были задокументированы фотографически 6 июля 1989 года, когда ученые из Университета Миннесоты с помощью видеокамеры при слабом освещении случайно запечатлели первое изображение того, что впоследствии стало известно как спрайт. [4]

Через несколько лет после открытия их назвали спрайтами (духами воздуха) из-за их неуловимой природы. [5] После видеосъемки 1989 года спрайты были сняты с земли, с самолетов и из космоса и стали предметом интенсивных исследований. Высокоскоростное видео, снятое Томасом Эшкрафтом , Джейкобом Л. Харли, Мэтью Дж. МакХаргом и Хансом Нильсеном в 2019 году со скоростью около 100 000 кадров в секунду, достаточно быстрое, чтобы обеспечить более подробную информацию о том, как развиваются спрайты. Однако, согласно блогу НАСА APOD, несмотря на то, что на протяжении более 30 лет это фиксировалось на фотографиях и видео, «первопричина» спрайтовой молнии остается неизвестной, «кроме общей связи с положительной молнией от облака к земле». НАСА также отмечает, что не во всех штормах наблюдаются спрайтовые молнии. [6]

В 2016 году спрайты наблюдались во время прохождения урагана «Мэттью» через Карибское море. [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 считается, что они возникают во время большинства крупных грозовых систем.

Роджер (1999) классифицировал три типа спрайтов в зависимости от их внешнего вида. [1]

Спрайты окрашены в красновато-оранжевый цвет [5] в верхних областях, с голубоватыми свисающими завитками внизу, и им может предшествовать красноватый ореол. Они длятся дольше, чем обычные разряды в нижней стратосфере, которые обычно длятся несколько миллисекунд, и обычно вызываются разрядами положительных молний между грозовым облаком и землей, [12] хотя также наблюдались спрайты, генерируемые отрицательными земными вспышками. [13] Они часто встречаются группами по два или более и обычно охватывают диапазон высот от 50 до 90 километров (от 31 до 56 миль), причем внизу свисают усики, а вверху - ветви. [5]

Оптическое изображение с помощью высокоскоростной камеры со скоростью 10 000 кадров в секунду показало, что спрайты на самом деле представляют собой скопления небольших, декаметрового масштаба (10–100 м или 33–328 футов) ионизационных шаров, которые запускаются на высоте около 80 км ( 50 миль), а затем движутся вниз со скоростью до десяти процентов скорости света , а через несколько миллисекунд следует отдельный набор ионизирующих шаров, движущихся вверх. [14] Спрайты могут быть смещены по горизонтали на расстояние до 50 км (31 миль) от места удара молнии, с временной задержкой после удара молнии, которая обычно составляет несколько миллисекунд, но в редких случаях может достигать 100 миллисекунд. .

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

Для съемки спрайтов с Земли должны присутствовать особые условия: 150–500 км (93–311 миль) ясной видимости до мощной грозы с положительной молнией между облаком и землей, записывающее оборудование, чувствительное к красному цвету, и черное неосвещенное небо. . [15]

Механизм

Спрайты возникают вблизи вершины мезосферы на высоте около 80 км в ответ на электрическое поле, создаваемое вспышками молний во время гроз. Когда достаточно сильный положительный удар молнии переносит заряды на землю, верхняя часть облака остается с сильно отрицательным суммарным зарядом. Его 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 напряжение пробоя резко снижается, что позволяет возникнуть электронной лавине . [16] [17] Спрайты приобретают свой характерный красный цвет в результате возбуждения азота в среде низкого давления в верхней мезосфере. При таких низких давлениях тушение атомарным кислородом происходит намного быстрее, чем тушение азотом, что позволяет доминировать выбросам азота, несмотря на отсутствие разницы в составе. [18] [19]

Спрайт-ореол

Спрайтам иногда примерно на 1 миллисекунду предшествует ореол спрайта , область слабых временных оптических излучений в форме блина примерно 50 километров (31 миль) в поперечнике и 10 километров (6,2 мили) в толщину. Центр гало находится на высоте около 70 километров (43 миль) над местом первоначального удара молнии. Считается, что эти ореолы создаются тем же физическим процессом, который производит спрайты, но для которого ионизация слишком слаба, чтобы преодолеть порог, необходимый для образования стримеров. Их иногда принимают за ЭЛЬВОВ из-за визуального сходства и кратковременности. [20] [21] [22]

Исследования, проведенные в Стэнфордском университете в 2000 году, показывают, что, в отличие от спрайтов с яркой вертикальной столбчатой ​​структурой, появление ореолов спрайтов не является чем-то необычным в сочетании с нормальными (отрицательными) грозовыми разрядами. [22] Исследование, проведенное в 2004 году учеными из Университета Тохоку, показало, что очень низкочастотные излучения происходят одновременно со спрайтом, что указывает на то, что спрайты могут генерироваться разрядом внутри облака. [23]

Сопутствующее повреждение самолета

Спрайты обвиняют в необъяснимых происшествиях, связанных с движением транспортных средств на большой высоте над грозами. Одним из примеров этого является неисправность стратосферного шара НАСА , запущенного 6 июня 1989 года из Палестины, штат Техас . Воздушный шар пострадал от неконтролируемого выброса полезной нагрузки во время полета на высоте 120 000 футов (37 000 м) над грозой недалеко от Грэма, штат Техас . Спустя несколько месяцев после аварии расследование пришло к выводу, что инцидент спровоцировала «молния», летящая вверх из облаков. [24] Атрибуция аварии спрайту была сделана задним числом, поскольку этот термин не был придуман до конца 1993 года.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Роджер, CJ (1999). «Красные спрайты, восходящая молния и ОНЧ-возмущения». Обзоры геофизики . 37 (3): 317–336. дои : 10.1029/2001JA000283.
  2. ^ «НАСА - Самородок гелиофизики: видение спрайтов» .
  3. ↑ Тойнби, Генри (14 января 1886 г.). «Метеорологические явления (письмо)». Природа . 33 (846): 245. дои : 10.1038/033245d0 . S2CID  4128139.
  4. ^ Франц, RC; Немзек, Р.Дж.; Винклер, младший (1990). «Телевидение большого электрического разряда, направленного вверх, над грозовой системой». Наука . 249 (4964): 48–51. Бибкод : 1990Sci...249...48F. дои : 10.1126/science.249.4964.48. PMID  17787625. S2CID  9343018.
  5. ^ abc Сентман, Д.Д.; Уэскотт, EM; Осборн, ДЛ; Хэмптон, ДЛ; Хивнер, MJ (1995). «Предварительные итоги авиационной кампании Sprites94: 1. Красные спрайты». Геофиз. Рез. Летт . 22 (10): 1205–1208. Бибкод : 1995GeoRL..22.1205S. дои : 10.1029/95GL00583.
  6. ^ «Спрайт-молния со скоростью 100 000 кадров в секунду». APOD.NASA.gov . Астрономическая картинка дня НАСА (блог «Астрономическая картина дня») . Проверено 19 июля 2022 г.
  7. ^ «Редкие красочные молнии-спрайты танцуют над ураганом Мэтью» . Национальная география . 3 октября 2016 года. Архивировано из оригинала 4 октября 2016 года . Проверено 3 октября 2016 г.
  8. ^ «Ураган Мэтью и оркестр дня/ночи». Кооперативный институт метеорологических спутниковых исследований . Университет Висконсина-Мэдисона. 7 октября 2016 г. Проверено 3 ноября 2016 г.
  9. ^ Кэти Берри (1994). Захватывающие цветные вспышки, зафиксированные над электрическими бурями. НАСА . Проверено 18 февраля 2009 г.
  10. ^ Дон Сэвидж и Кэти Берри (1995). Спрайты впервые подтверждены из-за штормов за пределами США. НАСА . Проверено 18 февраля 2009 г.
  11. ^ «Редкое атмосферное явление, наблюдаемое в Арме» . Архивировано из оригинала 5 сентября 2013 г. Проверено 21 августа 2013 г.
  12. ^ Бокчиппио, диджей; Уильямс, скорая помощь; Хекман, С.Дж.; Лайонс, Вашингтон; Бейкер, IT; Болди, Р. (август 1995 г.). «Спрайты, переходные процессы ELF и положительные удары по земле». Наука . 269 ​​(5227): 1088–1091. Бибкод : 1995Sci...269.1088B. дои : 10.1126/science.269.5227.1088. PMID  17755531. S2CID  8840716.
  13. ^ Лу, Гаопэн; Каммер, Стивен А; Блейксли, Ричард Дж; Вайс, Стефани; Бизли, Уильям Х (2012). «Морфология молнии и изменение момента импульсного заряда при отрицательных ударах с высоким пиковым током». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 117 (Д4): н/д. Бибкод : 2012JGRD..117.4212L. CiteSeerX 10.1.1.308.9842 . дои : 10.1029/2011JD016890. 
  14. ^ Стенбек-Нильсен, ХК; МакХарг, МГ; Канмаэ, Т.; Сентман, Д.Д. (6 июня 2007 г.). «Наблюдаемые скорости излучения в головках спрайтовых стримеров». Геофиз. Рез. Летт . 34 (11): L11105. Бибкод : 2007GeoRL..3411105S. дои : 10.1029/2007GL029881 . Л11105.
  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 В. (01 мая 2013 г.). «Обращение электрического поля в сигнатуре электрического поля спрайта». Ежемесячный обзор погоды . 141 (5): 1731–1735. doi : 10.1175/MWR-D-12-00220.1. ISSN  1520-0493.
  17. ^ Пасько, вице-президент; Инан, США; Белл, ТФ; Тараненко Ю.Н. (март 1997 г.). «Спрайты, возникающие в результате квазиэлектростатического нагрева и ионизации в нижней ионосфере». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 102 (А3): 4529–4561. дои : 10.1029/96JA03528. ISSN  0148-0227.
  18. ^ Сентман, Д.Д.; Стенбек-Нильсен, ХК; МакХарг, МГ; Моррилл, Дж.С. (16 июня 2008 г.). «Плазмохимия спрайтовых стримеров». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 113 (Д11). дои : 10.1029/2007JD008941. ISSN  0148-0227.
  19. ^ Лю, Нингю; Пасько, Виктор П. (март 2005 г.). «Молекулярный азот системы полос LBH в дальнем УФ-излучении спрайтовых стримеров». Письма о геофизических исследованиях . 32 (5). дои : 10.1029/2004GL022001. ISSN  0094-8276.
  20. ^ Рина Миясато, Хироши Фукуниси, Юкихиро Такахаши, Майкл Дж. Тейлор, Ганс. К. Стенбек-Нильсен (2002). Характеристики ореолов спрайтов, вызванных молниями, и механизмы их образования. Родное село Академического общества. Проверено 18 февраля 2009 г. [ мертвая ссылка ]
  21. ^ Кристофер Баррингтон Ли (2000). Спрайтовые ореолы. Архивировано 17 сентября 2008 г. в Wayback Machine Стэнфордского университета . Проверено 18 февраля 2008 г.
  22. ^ аб Баррингтон-Ли, CP, США Инан и М. Стэнли, «Идентификация спрайтов и эльфов с помощью усиленного видео и широкополосной фотометрии», J. Geophys. Рез. 106, № 2, февраль 2001 г.
  23. ^ Окубо, А.; Фукуниси, Х.; Такахаши, Ю.; Адачи, Т. (2005). «Сферические доказательства VLF / ELF активности разрядов в облаках, вызывающих спрайты». Письма о геофизических исследованиях . 32 (4): L04812. Бибкод : 2005GeoRL..32.4812O. дои : 10.1029/2004GL021943. S2CID  53059204.
  24. ^ СТРАТОКАТ (2009). «Данные стратосферного шара, запущенного 5 июня 1989 года из Колумбийского научного аэростата, Палестина, Техас, США, для наблюдения за молекулами, сделанными флуоресцентными с помощью лазера» . Проверено 18 февраля 2009 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные со спрайтами (молниями) .