stringtranslate.com

Молния в верхних слоях атмосферы

Представление явлений молний и электрических разрядов в верхних слоях атмосферы
Изображение открытия TLE на Юпитере зондом НАСА « Юнона» . [1]

Молния в верхних слоях атмосферы и ионосферная молния — это термины, которые иногда используются исследователями для обозначения семейства кратковременных явлений электрического пробоя, которые происходят значительно выше высоты обычных молний и грозовых облаков. Считается, что молнии в верхних слоях атмосферы представляют собой электрически индуцированные формы светящейся плазмы . Предпочтительным использованием является кратковременное световое событие ( TLE ), поскольку различные типы явлений электрического разряда в верхних слоях атмосферы лишены некоторых характеристик более известных тропосферных молний.

Кратковременные световые явления также наблюдались на изображениях верхних слоев атмосферы Юпитера в дальнем ультрафиолете , высоко над высотой водяных облаков, образующих молнии. [1] [2]

Характеристики

Существует несколько типов TLE, наиболее распространенными из которых являются спрайты . Спрайты — это вспышки ярко-красного света, возникающие над штормовыми системами. C-спрайты (сокращение от «столбчатые спрайты») — это название вертикальных столбцов красного света. C-спрайты с завитками иногда называют «спрайтами-морковками». Другие типы TLE включают спрайтовые ореолы, призраки, синие струи, гигантские джеты, пикси, гномы, тролли, синие стартеры и ЭЛЬВЫ. Аббревиатура ELVES (« излучение света и очень низкочастотные возмущения, вызванные источниками электромагнитных импульсов ») относится к единственному событию, которое обычно считается множественным. TLE — это вторичные явления, которые происходят в верхних слоях атмосферы в сочетании с грозовыми молниями . [3]

TLE обычно длится от менее миллисекунды до более 2 секунд. Первая видеозапись TLE была случайно сделана 6 июля 1989 года, когда исследователь Р. К. Франц оставил включенную камеру на ночь, чтобы рассмотреть ночное небо. При просмотре отснятого видео в двух кадрах фильма появились два вертикальных изображения, похожих на пальцы. Следующие известные видеозаписи TLE были сделаны в 1989 году, когда шаттл STS-34 проводил эксперимент по наблюдению мезомасштабных молний. 21 октября 1989 г. были зарегистрированы TLE на витках 44 и 45.

TLE были зафиксированы различными системами оптической регистрации , при этом общее количество недавних зарегистрированных событий (начало 2009 г.) оценивается во многие десятки тысяч. По оценкам спутниковых наблюдений ( FORMOSAT-2 ) , глобальная частота возникновения TLE составляет несколько миллионов событий в год.

История

В 1920-х годах шотландский физик Ч.ТР. Уилсон предсказал, что электрический пробой должен происходить в атмосфере высоко над сильными грозами. [4] [5] В последующие десятилетия пилоты самолетов сообщали о электрических разрядах на большой высоте, которые не принимались во внимание метеорологами до тех пор, пока в 1989 году не были задокументированы первые прямые визуальные свидетельства. Несколько лет спустя оптические признаки этих событий были названы «спрайтами» исследователи, чтобы избежать непреднамеренного использования физических свойств, которые в то время были еще неизвестны. Термины «красные спрайты» и «синие самолеты» приобрели популярность после того, как в 1994 году был распространен видеоклип после кампании по исследованию самолетов по изучению спрайтов .

Спрайты

Спрайты над Римом, вид с Антиба

Спрайты — это крупномасштабные электрические разряды , которые происходят высоко над грозовым облаком или кучево-дождевым облаком , порождая весьма разнообразный диапазон визуальных форм. Они вызываются разрядами положительных молний между грозовой тучей и землей. [6] Явления были названы в честь озорного спрайта , например, шекспировского Ариэля или Пака , [7] и являются также фононимом для стратосферных/мезосферных возмущений, возникающих в результате интенсивной грозовой электризации. [8] Обычно они окрашены в красновато-оранжевый или зеленовато-синий цвет, со свисающими усиками внизу и дугообразными ветвями вверху. Им также может предшествовать красноватый ореол, известный как ореол спрайта. Они часто встречаются скоплениями, достигая высоты от 50 до 90 километров (56 миль) над поверхностью Земли . Спрайты были замечены тысячи раз. [9] Спрайты были признаны ответственными за необъяснимые происшествия, связанные с операциями транспортных средств на большой высоте над грозами. [10]

Джеты

Хотя струи считаются разновидностью молний в верхних слоях атмосферы, было обнаружено, что они являются компонентами тропосферных молний и разновидностью разряда облака в воздух, который возникает во время грозы и распространяется вверх. Напротив, другие типы TLE не связаны электрически с тропосферной молнией, несмотря на то, что они инициируются ею. Двумя основными типами струй являются голубые струи и гигантские струи . Синие стартеры считаются более слабой формой синих форсунок. [ нужна цитата ]

Голубые струи

Гигантский реактивный самолет, вид с вершины Мауна-Кеа , Гавайи.

Считается, что синие струи возникают как «обычные» разряды молнии между верхней областью положительного заряда в грозовом облаке и отрицательным «экранирующим слоем», присутствующим над этой областью заряда. Положительный конец сети лидеров заполняет область отрицательного заряда до того, как отрицательный конец заполняет область положительного заряда, а положительный лидер впоследствии выходит из облака и распространяется вверх. Ранее считалось, что голубые струи не имеют прямого отношения к вспышкам молний, ​​а наличие града каким-то образом привело к их возникновению. [11] Они также ярче спрайтов и, как следует из названия, имеют синий цвет. Считается, что этот цвет обусловлен набором синих и ближних ультрафиолетовых линий излучения нейтрального и ионизированного молекулярного азота . Впервые они были зафиксированы 21 октября 1989 года на монохромном видео грозы на горизонте, снятом с космического корабля "Шаттл" , пролетавшего над Австралией . Синие струи встречаются гораздо реже, чем спрайты. К 2007 году было получено менее сотни изображений. Большинство этих изображений, в том числе первые цветные, связаны с одной грозой. Они были сделаны во время серии полетов самолетов в 1994 году для изучения спрайтов. [12] Совсем недавно источник и формирование голубых джетов наблюдалось с Международной космической станции . [3]

Синие закуски

Голубые стартеры были обнаружены на видео во время ночного исследовательского полета вокруг гроз [13] и представляют собой «движущееся вверх световое явление, тесно связанное с голубыми джетами». [14] Они кажутся короче и ярче голубых струй, достигая высоты всего до 20 км. [15] «Синие стартеры кажутся синими форсунками, которые так и не доживают до конца», - говорит доктор Виктор П. Пасько, доцент кафедры электротехники. [16]

Гигантские самолеты

Считается, что голубые струи возникают между верхней областью положительного заряда и отрицательным экранирующим слоем непосредственно над этой областью, а гигантские струи возникают как внутриоблачная вспышка между средней областью отрицательного и верхней частью положительного заряда в грозовом облаке. Затем отрицательно заряженный лидер убегает вверх из облака в сторону ионосферы, прежде чем он успевает разрядиться внутри облака. Гигантские джеты достигают большей высоты, чем голубые, и заканчиваются на высоте 90 км. [17] [18] Хотя они могут показаться визуально похожими на спрайты типа моркови, гигантские струи отличаются тем, что они не связаны с молниями от облака к земле и распространяются вверх от облака с меньшей скоростью. [19]

Наблюдения

14 сентября 2001 года ученые обсерватории Аресибо сфотографировали гигантский реактивный самолет — вдвое превышающий размеры наблюдавшихся ранее — достигший высоты около 70 км (45 миль) в атмосферу. [20] Струя находилась над грозой над океаном и длилась менее секунды. Первоначально наблюдалось, что реактивный самолет двигался вверх со скоростью около 50 км/с (110 000 миль в час; 180 000 км/ч) со скоростью, аналогичной скорости типичной молнии, которая увеличилась до 160 и 270 км/с (360 000–600 000 миль в час; 580 000–970 000 км). /ч), но затем разделился на две части и помчался вверх со скоростью не менее 2000 км/с (4500000 миль в час; 7200000 км/ч) к ионосфере , где затем распространился в виде яркой вспышки света.

22 июля 2002 года пять гигантских струй длиной от 60 до 70 километров (от 35 до 45 миль) наблюдались над Южно-Китайским морем с Тайваня , как сообщает журнал Nature . [21] [22] Струи длились менее секунды, а их формы исследователи сравнили с гигантскими деревьями и морковью.

10 ноября 2012 г. в «Китайском научном бюллетене» сообщалось о гигантском реактивном событии, наблюдавшемся над грозой в материковом Китае 12 августа 2010 г. «Событие GJ, которое было четко зарегистрировано в восточном Китае (центр шторма расположен на 35,6 ° с. , недалеко от Хуанхайского моря )». [23]

2 февраля 2014 года обсерватория Оро-Верде в Аргентине сообщила о десяти или более гигантских струях, наблюдавшихся во время грозы на юге Энтре-Риоса . Центр шторма располагался на 33°ю.ш., 60°з.д., недалеко от города Росарио . [ нужна цитата ]

13 августа 2016 г. фотограф Фиби Пан сделала четкую широкоугольную фотографию гигантского джета на широкоугольный объектив во время съемки метеоров Персеид на вершине Ши Кенг Конг в провинции Гуандун [24] , а Ли Хуалун запечатлел тот же самый реактивный самолет с более отдаленное место в Цзяхэ, Хунань, Китай. [25]

28 марта 2017 года фотограф Джефф Майлз запечатлел четыре гигантских самолета над Австралией. [26]

24 июля 2017 года облачная камера Gemini в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях запечатлела несколько гигантских джетов, а также гравитационные волны высотой с ионосферу во время одной грозы. [27]

16 октября 2019 года пилот Крис Холмс заснял в высоком разрешении гигантский реактивный самолет с высоты 35 000 футов (10,6 км) над Мексиканским заливом недалеко от полуострова Юкатан. [28] На видео Холмса, снятом с расстояния 35 миль (56 км), видно, как синяя лента поднимается от вершины грозы до ионосферы и становится красной наверху. Только тогда яркий белый лидер молнии медленно ползет с вершины облака, достигая примерно 10% высоты гигантской струи, прежде чем исчезнуть.

20 сентября 2021 г. в 22:41 (02:41 UTC) напротив северо-востока от Кабо Рохо, Пуэрто-Рико, фотограф Фрэнки Лусена записал видео гигантского выброса струи плазмы, произошедшего во время грозы в этом районе. [29]

13 июня 2022 года в северном Канзасе, США, фотограф Пол М. Смит запечатлел несколько гигантских реактивных явлений во время грозы. Это самый дальний север из всех зарегистрированных. [ нужна цитата ]

15 февраля 2024 года фотограф Джей Джей Рао (Nature by JJ) заснял гигантский реактивный самолет на замедленном видео в высоком разрешении из Дерби, в регионе Кимберли в Западной Австралии. [30]

Другие типы

Эльфы

На фото один из ЭЛЬВОВ (излучение света и очень низкочастотных возмущений из-за источников электромагнитных импульсов). Снимок был сделан 27 марта 2023 года в 21:43 UTC с телекомпании Possagno, Италия. Молния, вызвавшая его, произошла в Полвериги, Северная Каролина, Италия, на расстоянии 285 км. Ее сила, оцениваемая примерно в 410 кА (килоампер), что на порядок сильнее, чем обычная молния (от 10 до 30 килоампер), породила интенсивный электромагнитный импульс. Красное кольцо отмечает место, где импульс попал в ионосферу Земли. Длительность «молнии» составляет около одной миллисекунды, «бублик» имеет измеренный по фотографии диаметр примерно 360 км и высоту над землей около 90/100 км. Расстояние для этого типа фотографий должно составлять от 100 до 600 км.

ЭЛЬВЫ часто выглядят как тусклое, сплющенное, расширяющееся свечение диаметром около 400 км (250 миль), которое обычно длится всего одну миллисекунду . [31] Они возникают в ионосфере на высоте 100 км (62 мили) над землей во время гроз . Некоторое время их цвет был неизвестен, но теперь известно, что он красный. ЭЛЬВЫ были впервые зарегистрированы во время другого полета шаттла, на этот раз записанного у Французской Гвианы 7 октября 1990 года . Главный следователь Ота Х. «Скит» Воган - младший .

ЭЛЬВЕС — это причудливая аббревиатура , обозначающая излучение света и очень низкочастотные возмущения, вызванные источниками электромагнитных импульсов. [32] Это относится к процессу генерации света; возбуждение молекул азота из-за столкновений электронов (электроны, возможно, были заряжены электромагнитным импульсом, вызванным разрядом нижележащей грозы). [33] [34]

Тролли

ТРОЛЛИ (переходные красные оптические светящиеся линии) появляются после сильных спрайтов и выглядят как красные пятна со слабыми хвостами, а на высокоскоростных камерах появляются как быстрая серия событий, начинающаяся с красного свечения, которое образуется после усика спрайта, позже образует красную полосу вниз от себя. Они похожи на реактивные самолеты. [35] [36]

Пикси

Впервые пикси были замечены во время программы STEPS летом 2000 года, межведомственной полевой программы по исследованию электрических характеристик гроз на Высоких равнинах . Серия необычных белых светящихся событий на вершине грозы наблюдалась в течение 20 минут, продолжаясь в среднем 16 миллисекунд каждое. Позже их прозвали пикси. Эти пикси имеют размер менее 100 метров в поперечнике и не связаны с молниями. [35]

Призраки

Призраки (зеленоватое оптическое излучение от вершин спрайта) — это слабое зеленое свечение, которое появляется в пределах зоны действия красного спрайта, остается после того, как красный цвет рассеялся, и исчезает в течение миллисекунд. [37] Хотя возможные примеры призраков можно увидеть на исторических изображениях, впервые призраки были отмечены как исключительное явление охотниками за штормами Хэнк Шима и Пол М. Смит в 2019 году. [38]

Первое спектроскопическое исследование для анализа динамики и химии призраков было проведено группой атмосферного электричества Института астрофизики Андалусии (IAA). В ходе этой экспериментальной кампании выяснилось, что основными источниками зеленоватого оттенка одного события, зарегистрированного в 2019 году, являются атомное железо и никель, молекулярный азот и ионный молекулярный кислород. Также был обнаружен слабый, но определенный вклад атомарного кислорода, атомарного натрия и ионного кремния. [39]

Гномы

Гном — это тип молнии, представляющий собой небольшой короткий луч света, направленный вверх от вершины наковальни грозового облака, возникающий, когда сильные восходящие потоки выталкивают влажный воздух над наковальней. Это длится всего несколько микросекунд. [35] Его ширина составляет около 200 метров, а высота - максимум 1 километр. Его цвет неизвестен, поскольку его можно было наблюдать только на черно-белых кадрах. Большинство источников неофициально называют их «гномами». [40]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Джайлз, Рохини С.; Грейтхаус, Томас К.; Бонфонд, Бертран; Гладстон, Дж. Рэндалл; Каммер, Джошуа А.; Хюэ, Винсент; Гродент, Денис К.; Жерар, Жан-Клод; Верстег, Мартен Х.; Вонг, Майкл Х.; Болтон, Скотт Дж. (26 октября 2020 г.). «Возможные кратковременные светящиеся события, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы Юпитера». Журнал геофизических исследований: Планеты . 125 (11): e06659. arXiv : 2010.13740 . Бибкод : 2020JGRE..12506659G. дои : 10.1029/2020JE006659. S2CID  225075904.
  2. ^ «Юнона обнаруживает на Юпитере спрайтов и эльфов» . Небо и телескоп . 28.10.2020 . Проверено 29 октября 2020 г.
  3. ^ ab «Детекторы космической станции обнаружили источник странной молнии «голубой струи»» . 21 января 2021 г.
  4. ^ CTR Wilson (1924) «Электрическое поле грозовой тучи и некоторые его эффекты», Труды Лондонского физического общества , 37 (1): 32D-37D. Доступно в Интернете по адресу: Университет Сан-Паулу. Архивировано 10 марта 2014 г. в Wayback Machine .
  5. ^ Эрл Р. Уильямс (ноябрь 2001 г.) «Спрайты, эльфы и трубки тлеющего разряда», Physics Today , 54 (11): 41–47. Доступно в Интернете по адресу: Physics Today. Архивировано 27 мая 2012 г., на archive.today .
  6. ^ 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.
  7. ↑ Со страницы 128 книги: Джон Фридман, « Внезапно: история молнии» (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Random House, Inc., 2008):
    «Доктор Дэвис Сентман из Университета Аляски, один из немногих ученых изучая эти светящиеся призрачные явления [то есть спрайты], назвал жуткие вспышки цветных огней в честь озорных духов воздуха Шекспира — Ариэля в «Буре» и Пака в «Сне в летнюю ночь».
  8. ^ «Спрайты и эльфы в атмосфере | Пенсильванский государственный университет» .
  9. ^ Уолтер А. Лайонс и Мичи Д. Шмидт (2003). P1.39 Открытие красных духов как возможность неформального научного образования. Американское метеорологическое общество . Проверено 18 февраля 2009 г.
  10. ^ STRATOCAT - История и настоящее стратосферных шаров. «Полный отчет о неконтролируемом свободном падении полезной нагрузки стратосферного шара, спровоцированном спрайтом».
  11. ^ Фрактальные модели синих самолетов, синих стартеров показывают сходство и различия с красными спрайтами
  12. ^ «Red Sprites & Blue Jets – видео» [1], «Blue Jets & Blue Starters – видео» [2].
  13. ^ Примеры можно увидеть в клипе «Blue Jets & Blue Starters – видео» [3].
  14. ^ Аб Бек, WL; и другие. (май 1998 г.). «Роль видеокассет космического корабля «Шаттл» в открытии спрайтов, самолетов и эльфов». Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 60 (7–9): 669–677. Бибкод : 1998JASTP..60..669B. дои : 10.1016/S1364-6826(98)00025-X.
  15. ↑ Blue Jets. Архивировано 11 мая 2008 г. в Wayback Machine.
  16. ^ Фрактальные модели синих струй, синих стартеров демонстрируют сходство и различия с красными спрайтами.
  17. ^ Су, HT; Сюй, РР; Чен, AB; Ван, ЮК; Сяо, WS; Лай, туалет; Ли, LC; Сато, М.; Фукуниси, Х. (июнь 2003 г.). «Гигантские струи между грозовым облаком и ионосферой». Природа . 423 (6943): 974–976. Бибкод : 2003Natur.423..974S. дои : 10.1038/nature01759. ISSN  1476-4687. PMID  12827198. S2CID  4401869 . Проверено 3 июня 2022 г.
  18. ^ Боггс, Леви Д.; Лю, Нингю; Риуссе, Джереми А.; Ши, Фэн; Лазарус, Стивен; Сплитт, Майкл; К. Рассул, Хамид (27 декабря 2018 г.). «Грозовые зарядовые структуры, производящие гигантские струи». Научные отчеты . 8 (1): 18085. Бибкод : 2018NatSR...818085B. doi : 10.1038/s41598-018-36309-z. ПМК 6308230 . ПМИД  30591709. 
  19. ^ Сурков, Вадим В.; Хаякава, Масаси (сентябрь 2020 г.). «Прогресс в изучении переходных световых и атмосферных явлений: обзор». Исследования в области геофизики . 41 (5): 1101–1142. Бибкод : 2020SGeo...41.1101S. дои : 10.1007/s10712-020-09597-2. S2CID  219157013 . Проверено 3 июня 2022 г.
  20. ^ Пасько, Виктор П.; Стэнли, Марк А.; Мэтьюз, Джон Д.; Инан, Умран С.; Вуд, Трой Г. (2002). «Электрический разряд от вершины грозового облака в нижнюю ионосферу». Природа . 416 (6877): 152–154. Бибкод : 2002Natur.416..152P. дои : 10.1038/416152а. PMID  11894087. S2CID  1933570.
  21. ^ «Гигантские струи между грозовым облаком и ионосферой» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 июля 2007 г. Проверено 21 апреля 2007 г.
  22. ^ "Гигантские самолеты, снятые на камеру" . Архивировано из оригинала 19 мая 2011 г. Проверено 2 июня 2008 г.
  23. ^ Ян, Цзин; Фэн, Гуйли (2012). «Китайский научный бюллетень 2012, том 57 DOI: 10.1007/s11434-012-5486-3». Китайский научный бюллетень . 57 (36): 4791. Бибкод :2012ЧСБу..57.4791Г. дои : 10.1007/s11434-012-5486-3 .
  24. ^ "Машина времени Spaceweather.com" . spaceweather.com . Проверено 16 августа 2016 г.
  25. ^ "Спрайты Молния".
  26. ^ «Гигантские самолеты над Австралией». 2017-03-31.
  27. ^ «Гигантская реактивная молния возле Гавайев». youtube.com . Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 г. Проверено 13 декабря 2021 г.
  28. ↑ Филлипс, Т. (25 октября 2019 г.). Близкая встреча с гигантским реактивным самолетом. Получено с https://spaceweatherarchive.com/2019/10/25/close-encounter-with-a-gigantic-jet/.
  29. ^ "Фото дня НАСА" .
  30. ↑ Суперредкий гигантский реактивный самолет «Молния» в замедленной съемке , получено 26 февраля 2024 г.
  31. ^ ЭЛЬВЫ, учебник: Нагрев ионосферы электромагнитными импульсами молнии.
  32. ^ Бесплатный словарь - ЭЛЬВЫ
  33. ^ Вальтер Бинотто (05 апреля 2023 г.). «Вальтер Бинотто в Instagram». Инстаграм . Проверено 5 апреля 2023 г.
  34. ^ Филиппо Тьери (04 апреля 2023 г.). «Филиппо Тьери в Instagram». Инстаграм . Проверено 5 апреля 2023 г.
  35. ^ abc BA, Науки о Земле. «Как изучаются спрайты». МысльКо . Проверено 10 июля 2020 г.
  36. ^ «Атмосферные явления». Castle-kaneloon.tripod.com . Проверено 10 июля 2020 г.
  37. ^ Филлипс, доктор Тони (31 мая 2020 г.). «Представляем Зеленый призрак». Spaceweather.com . Проверено 10 июля 2020 г.
  38. ^ Шима, Хэнк (25 мая 2019 г.). «Красные спрайты и синие струи объяснили – Новое открытие!». YouTube . Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 г.
  39. ^ Пассас-Варо, Мария; Ван дер Вельде, Оскар; Гордильо-Васкес, Франсиско Х.; Гомес-Мартин, Хуан Карлос; Санчес, Хусто; Перес-Инвернон, Франсиско Х.; Санчес-Рамирес, Рубен; Гарсиа-Комас, Майя; Монтанья, Джоан (12 декабря 2023 г.). «Спектроскопия мезосферного призрака обнаруживает выбросы железа». Природные коммуникации . 14 (1): 7810. doi : 10.1038/s41467-023-42892-1 . ISSN  2041-1723. ПМЦ 10716262 . 
  40. ^ Лайонс, Уолтер; Нельсон, Томас; Армстронг, Рассел; Пасько, Виктор; Стэнли, Марк (19 ноября 2002 г.). «Восходящие электрические разряды с грозовых вершин» (PDF) .

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с кратковременными световыми событиями .