stringtranslate.com

Молния в верхних слоях атмосферы

Представление явлений молний и электрических разрядов в верхних слоях атмосферы
Изображение TLE на Юпитере, полученное зондом NASA Juno . [1]

Молния в верхних слоях атмосферы и ионосферная молния — термины, которые иногда используются исследователями для обозначения семейства кратковременных явлений электрического пробоя, которые происходят значительно выше высот обычных молний и грозовых облаков. Считается, что молния в верхних слоях атмосферы — это электрически индуцированные формы светящейся плазмы . Предпочтительным является использование термина « транзиентное светящееся событие» ( TLE ), поскольку различные типы явлений электрического разряда в верхних слоях атмосферы не обладают несколькими характеристиками более привычной тропосферной молнии.

Кратковременные световые явления также наблюдались на снимках в дальнем ультрафиолете верхней атмосферы Юпитера , высоко над высотой водяных облаков, вызывающих молнии. [1] [2]

Характеристики

Существует несколько типов TLE, наиболее распространенными из которых являются спрайты . Спрайты — это вспышки ярко-красного света, которые возникают над грозовыми системами. C-спрайты (сокращение от «колоннообразные спрайты») — это название, данное вертикальным столбам красного света. C-спрайты, демонстрирующие усики, иногда называют «морковными спрайтами». Другие типы TLE включают в себя ореолы спрайтов, призраков, синие струи, гигантские струи, пикси, гномов, троллей, синие стартеры и ELVES. Аббревиатура ELVES (« излучение света и очень низкочастотные возмущения из-за источников электромагнитных импульсов ») относится к единичному событию, которое обычно считается множественным числом. TLE — это вторичные явления, которые происходят в верхних слоях атмосферы в связи с лежащими в основе грозовыми молниями . [3]

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 посмотреть на ночное небо. При просмотре отснятого видео на двух кадрах фильма появились два вертикальных изображения, похожих на пальцы. Следующие известные видеозаписи TLE были сделаны в 1989 году, когда миссия Space Shuttle STS-34 проводила эксперимент по наблюдению за мезомасштабными молниями. 21 октября 1989 года TLE были записаны во время орбит 44 и 45.

TLE были зафиксированы различными оптическими системами регистрации , при этом общее число последних зарегистрированных событий (начало 2009 г.) оценивается во многие десятки тысяч. Глобальная частота возникновения TLE была оценена по спутниковым наблюдениям ( FORMOSAT-2 ) 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 высоко над большими грозами. [4] [5] В последующие десятилетия электрические разряды на большой высоте были зарегистрированы пилотами самолетов и игнорировались метеорологами, пока в 1989 году не было задокументировано первое прямое визуальное доказательство. Несколько лет спустя оптические сигнатуры этих событий были названы исследователями «спрайтами», чтобы избежать непреднамеренного намека на физические свойства, которые в то время были еще неизвестны. Термины красные спрайты и синие струи приобрели популярность после того, как был распространен видеоклип после исследовательской кампании по изучению спрайтов в самолетах в 1994 году. [ необходима цитата ]

Спрайты

Духи над Римом, вид с Антиба

Спрайты — это крупномасштабные электрические разряды , которые происходят высоко над грозовым облаком или кучево-дождевыми облаками , вызывая весьма разнообразный спектр визуальных форм. Они вызываются разрядами положительной молнии между грозовым облаком и землей. [6] Явления были названы в честь озорного спрайта , например, Ариэля или Пака Шекспира , [7] и также являются бэкронимом для стратосферных/мезосферных возмущений, возникающих в результате интенсивной грозовой электризации. [8] Обычно они окрашены в красновато-оранжевый или зеленовато-голубой цвет, со свисающими усиками внизу и дугообразными ветвями вверху. Им также может предшествовать красноватое гало, известное как гало спрайтов. Они часто возникают скоплениями, достигая от 50 километров (31 мили) до 90 километров (56 миль) над поверхностью Земли . Спрайты были замечены тысячи раз. [9] Духи были признаны ответственными за необъяснимые иначе несчастные случаи, связанные с операциями на большой высоте над грозами. [10]

Самолеты

Хотя струи считаются типом верхних атмосферных молний, ​​было обнаружено, что они являются компонентами тропосферных молний и типом разряда облако-воздух, который инициируется во время грозы и распространяется вверх. Напротив, другие типы TLE электрически не связаны с тропосферной молнией, несмотря на то, что они ею вызваны. Два основных типа струй — это синие струи и гигантские струи . Синие стартеры считаются более слабой формой синих струй. [ необходима цитата ]

Синие струи

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

Считается, что синие струи возникают как «нормальные» 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 синие струи не связаны напрямую со вспышками молний, ​​и что наличие града каким-то образом привело к их появлению. [11] Они также ярче спрайтов и, как следует из их названия, имеют синий цвет. Считается, что цвет обусловлен набором синих и ближних ультрафиолетовых линий излучения от нейтрального и ионизированного молекулярного азота . Впервые они были зафиксированы 21 октября 1989 года на монохромном видео грозы на горизонте, снятом с космического челнока , когда он пролетал 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 серии 1994 полетов самолетов для изучения спрайтов. [12] Совсем недавно источник и формирование синих струй наблюдались с Международной космической станции . [3]

Синие стартеры

Голубые стартеры были обнаружены на видеозаписи ночного исследовательского полета вокруг гроз [13] и, по-видимому, представляют собой «движущееся вверх светящееся явление, тесно связанное с голубыми струями». [14] Они кажутся короче и ярче голубых струй, достигая высоты всего до 20 км. [15] «Голубые стартеры, по-видимому, представляют собой голубые струи, которые никогда не достигают цели», — утверждает доктор Виктор П. Пасько, доцент кафедры электротехники. [16]

Гигантские струи

В то время как синие струи, как полагают, возникают между верхней областью положительного заряда и отрицательным экранирующим слоем непосредственно над этой областью, гигантские струи, по-видимому, возникают как внутриоблачная вспышка между средней отрицательной и верхней положительной областями заряда в грозовом облаке. Затем отрицательно заряженный лидер вырывается вверх из облака к ионосфере, прежде чем он сможет разрядиться внутри облака. Гигантские струи достигают больших высот, чем синие струи, заканчиваясь на высоте 90 км. [17] [18] Хотя они могут визуально показаться похожими на спрайты типа моркови, гигантские струи отличаются тем, что они не связаны с молнией от облака к земле и распространяются вверх от облака с меньшей скоростью. [19]

Наблюдения

14 сентября 2001 года ученые обсерватории Аресибо сфотографировали гигантскую струю — вдвое превышающую высоту ранее наблюдавшихся — достигавшую около 70 км (45 миль) в атмосфере. [20] Струя находилась над грозой над океаном и длилась менее секунды. Первоначально наблюдалось, что струя движется со скоростью около 50 км/с (110 000 миль/ч; 180 000 км/ч) со скоростью, схожей со скоростью типичной молнии, затем она увеличилась до 160 и 270 км/с (360 000–600 000 миль/ч; 580 000–970 000 км/ч), но затем разделилась на две части и устремилась вверх со скоростью не менее 2000 км/с (4 500 000 миль/ч; 7 200 000 км/ч) к ионосфере , где затем рассеялась в яркой вспышке света.

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

10 ноября 2012 года в китайском научном бюллетене сообщалось о гигантском струйном событии, наблюдавшемся над грозой в материковом Китае 12 августа 2010 года. «Событие GJ, которое было четко зафиксировано в восточном Китае (центр шторма находился в точке с координатами 35,6° с.ш., 119,8° в.д., недалеко от моря Хуанхай )». [23]

2 февраля 2014 года обсерватория Оро-Верде в Аргентине сообщила о десяти или более гигантских струйных событиях, наблюдавшихся над грозой в Энтре-Риос на юге. Центр шторма находился в точке с координатами 33°S, 60°W, недалеко от города Росарио . [ требуется цитата ]

13 августа 2016 года фотограф Фиби Пан сделала четкую широкоугольную фотографию гигантской струи на широкоугольный объектив во время съемки метеоров Персеиды на вершине пика Ши Кенг Конг в провинции Гуандун [24] , а Ли Хуалун запечатлел ту же струю с более отдаленного места в Цзяхэ, провинция Хунань, Китай. [25]

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

24 июля 2017 года камера Gemini Cloudcam в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях запечатлела несколько гигантских струй, а также гравитационные волны на высоте ионосферы во время одной грозы. [27]

16 октября 2019 года пилот Крис Холмс снял видео высокого разрешения гигантской струи с высоты 35 000 футов (10,6 км) над Мексиканским заливом недалеко от полуострова Юкатан. [28] На видео Холмса с высоты 35 миль (56 км) видно, как синяя полоса поднимается от вершины грозы до ионосферы, становясь красной наверху. Только затем блестящий белый лидер молнии медленно ползет от вершины облака, достигая примерно 10% высоты гигантской струи, прежде чем затухнуть.

20 сентября 2021 года в 22:41 (02:41 UTC) фотограф Фрэнки Лусена, находясь на северо-востоке от Кабо-Рохо, Пуэрто-Рико, записал видео гигантского выброса плазмы, который произошел во время грозы в этом районе. [29]

15 февраля 2024 года фотограф Дж. Дж. Рао (Nature by JJ) запечатлел гигантский самолет на видео с высоким разрешением и замедленной съемкой в ​​Дерби, в регионе Кимберли в Западной Австралии. [30]

Другие типы

Эльфы

На фотографии показан один из ELVES (излучение света и очень низкочастотных возмущений из-за источников электромагнитных импульсов). Снимок был сделан 27 марта 2023 года в 21.43 UTC из Поссаньо, ТВ, Италия. Молния, вызвавшая его, находилась в Польвериджи, AN, Италия, на расстоянии 285 км. Ее сила, оцениваемая примерно в 410 кА (килоампер), что на порядок сильнее обычной молнии (от 10 до 30 килоампер), сгенерировала интенсивный электромагнитный импульс. Красное кольцо отмечает место, где импульс попал в ионосферу Земли. Длительность «молнии» составляет около одной миллисекунды, «бублик» имеет диаметр, измеренный по фотографии, примерно 360 км и высоту над землей примерно 90/100 км. Расстояние для этого типа фотографии должно быть от 100 до 600 км.

ELVES часто выглядят как тусклое, сплющенное, расширяющееся свечение диаметром около 400 км (250 миль), которое длится, как правило, всего одну миллисекунду . [31] Они возникают в ионосфере на высоте 100 км (62 мили) над землей во время гроз . Их цвет некоторое время был неизвестен, но теперь известно, что он красный. ELVES были впервые зафиксированы во время другой миссии шаттла, на этот раз у берегов Французской Гвианы 7 октября 1990 года. [14] Эти ELVES были обнаружены на видеозаписи шаттла группой Mesoscale Lightning Experiment (MLE) в Marshall Space Flight Center , AL во главе с главным исследователем Отой Х."Скитом" Воганом-младшим. [ требуется ссылка ]

ELVES — это причудливая аббревиатура для излучений света и возмущений очень низкой частоты, вызванных источниками электромагнитных импульсов. [32] Это относится к процессу, посредством которого генерируется свет; возбуждение молекул азота из-за столкновений электронов (электроны, возможно, были возбуждены электромагнитным импульсом, вызванным разрядом от находящейся под землей грозы). [33] [34]

Тролли

TROLL (транзиентные красные оптические светящиеся линии) возникают после сильных спрайтов и выглядят как красные пятна со слабыми хвостами, а на более скоростных камерах выглядят как быстрая серия событий, начинающаяся как красное свечение, которое формируется после усика спрайта, который позже производит красную полосу вниз от себя. Они похожи на струи. [35] [36]

Пикси

Пикси впервые были замечены во время программы STEPS летом 2000 года, многоорганизационной полевой программы по исследованию электрических характеристик гроз на Высоких равнинах . Серия необычных белых светящихся событий на вершине грозы наблюдалась в течение 20-минутного периода, продолжительностью в среднем 16 миллисекунд каждое. Позже их окрестили «пикси». Эти пикси имеют размер менее 100 метров в поперечнике и не связаны с молнией. [35]

Призраки

Призраки (зеленоватое оптическое излучение от вершин спрайтов) — это слабые зеленые свечения, которые появляются в пределах следа красного спрайта, остаются после того, как красный цвет рассеивается, и исчезают за миллисекунды. [37] Хотя возможные примеры призраков можно увидеть на исторических изображениях, призраки были впервые отмечены как исключительное явление охотниками за штормами Хэнком Шимой и Полом М. Смитом в 2019 году. [38]

Первое спектроскопическое исследование динамики и химии призраков было проведено группой Атмосферного электричества Института астрофизики Андалусии (IAA). Эта экспериментальная кампания сообщила, что основными источниками зеленоватого оттенка одного события, зарегистрированного в 2019 году, были атомарное 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 всплеск света, направленный вверх от вершины наковальни грозового облака, вызванный сильными восходящими потоками воздуха, выталкивающими влажный воздух над наковальней. Он длится всего несколько микросекунд. [35] Он имеет ширину около 200 метров и максимальную высоту 1 километр. Его цвет неизвестен, поскольку он наблюдался только на черно-белых кадрах. Большинство источников неофициально называют их «Гномами». [40]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Giles, Rohini S.; Greathouse, Thomas K.; Bonfond, Bertrand; Gladstone, G. Randall; Kammer, Joshua A.; Hue, Vincent; Grodent, Denis C.; Gérard, Jean-Claude; Versteeg, Maarten H.; Wong, Michael H.; Bolton, Scott J. (2020-10-26). "Возможные кратковременные светящиеся события, наблюдаемые в верхней атмосфере Юпитера". Journal of Geophysical Research: Planets . 125 (11): e06659. arXiv : 2010.13740 . Bibcode : 2020JGRE..12506659G. doi : 10.1029/2020JE006659. S2CID  225075904.
  2. ^ «Юнона обнаруживает спрайтов и эльфов на Юпитере». Sky & Telescope . 2020-10-28 . Получено 2020-10-29 .
  3. ^ ab "Детекторы космической станции обнаружили источник странной молнии "голубого джета"". 2021-01-21.
  4. ^ CTR Wilson (1924) "Электрическое поле грозового облака и некоторые его эффекты", Труды Физического общества Лондона , 37 (1): 32D-37D. Доступно онлайн по адресу: Университет Сан-Паулу. Архивировано 10 марта 2014 г. на Wayback Machine .
  5. ^ Эрл Р. Уильямс (ноябрь 2001 г.) «Спрайты, эльфы и трубки тлеющего разряда», Physics Today , 54 (11): 41–47. Доступно в сети по адресу: Physics Today Архивировано 27 мая 2012 г. на archive.today .
  6. ^ Boccippio, DJ; Williams, ER; Heckman, SJ; Lyons, WA; Baker, IT; Boldi, R. (август 1995 г.). «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.
  7. ↑ Со страницы 128: Джон Фридман, «Из ниоткуда: История молнии» (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Random House, Inc., 2008):
    «Доктор Дэвис Сентман из Университета Аляски, один из немногих ученых, изучающих эти светящиеся, призрачные явления [т. е. 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 | Университет штата Пенсильвания».
  9. ^ Уолтер А. Лайонс и Мичи Д. Шмидт (2003). P1.39 Открытие красных спрайтов как возможность для неформального научного образования. Американское метеорологическое общество . Получено 18 февраля 2009 г.
  10. ^ STRATOCAT – История и современность стратосферных аэростатов. «Полный отчет о неконтролируемом свободном падении полезной нагрузки стратосферного аэростата, спровоцированном Sprite».
  11. ^ Фрактальные модели синих струй, синие стартеры показывают сходство, 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. ^ ab Boeck, WL; et al. (май 1998 г.). «Роль видеозаписей космического челнока в открытии спрайтов, струй 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.
  15. ↑ Blue jets Архивировано 11 мая 2008 г. на Wayback Machine
  16. ^ Фрактальные модели синих струй, синие стартеры показывают сходство, различия с красными спрайтами
  17. ^ Su, HT; Hsu, RR; Chen, AB; Wang, YC; Hsiao, WS; Lai, WC; Lee, LC; Sato, M.; Fukunishi, H. (июнь 2003 г.). «Гигантские струи между грозовым облаком и ионосферой». Nature . 423 (6943): 974–976. Bibcode :2003Natur.423..974S. doi :10.1038/nature01759. ISSN  1476-4687. PMID  12827198. S2CID  4401869 . Получено 03.06.2022 .
  18. ^ Боггс, Леви Д.; Лю, Нингюй; Риуссет, Джереми А.; Ши, Фэн; Лазарус, Стивен; Сплитт, Майкл; К. Расул, Хамид (27.12.2018). «Структуры грозовых зарядов, производящие гигантские струи». Scientific Reports . 8 (1): 18085. Bibcode :2018NatSR...818085B. doi :10.1038/s41598-018-36309-z. PMC 6308230 . PMID  30591709. 
  19. ^ Сурков, Вадим В.; Хаякава, Масаси (сентябрь 2020 г.). «Прогресс в изучении транзиентных световых и атмосферных событий: обзор». Surveys in Geophysics . 41 (5): 1101–1142. Bibcode : 2020SGeo...41.1101S. doi : 10.1007/s10712-020-09597-2. S2CID  219157013. Получено 03.06.2022 .
  20. ^ Pasko, Victor P.; Stanley, Mark A.; Mathews, John D.; Inan, Umran S.; Wood, Troy G. (2002). «Электрический разряд от вершины грозового облака до нижней ионосферы». Nature . 416 (6877): 152–154. Bibcode :2002Natur.416..152P. doi :10.1038/416152a. PMID  11894087. S2CID  1933570.
  21. ^ "Гигантские струи между грозовым облаком и ионосферой" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-07-02 . Получено 2007-04-21 .
  22. ^ "Гигантские самолеты, запечатленные на камеру". Архивировано из оригинала 2011-05-19 . Получено 2008-06-02 .
  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. ^ "Spaceweather.com Time Machine". spaceweather.com . Получено 2016-08-16 .
  25. ^ "Спрайтс Молния".
  26. ^ "Гигантские самолеты над Австралией". 2017-03-31.
  27. ^ "Гигантская реактивная молния возле Гавайев". youtube.com . 2017-07-25. Архивировано из оригинала 2021-12-15 . Получено 2021-12-13 .
  28. ^ Филлипс, Т. (25 октября 2019 г.). Близкое столкновение с гигантским реактивным самолетом. Получено с https://spaceweatherarchive.com/2019/10/25/close-encounter-with-a-gigantic-jet/
  29. ^ «Картинка дня НАСА».
  30. ^ Супер редкий гигантский реактивный самолет «Молния» в замедленной съемке, 2024-02-17 , получено 2024-02-26
  31. ^ ELVES, учебник для начинающих: Нагрев ионосферы электромагнитными импульсами от молний
  32. ^ Бесплатный словарь – ЭЛЬФЫ
  33. ^ Вальтер Бинотто (2023-04-05). "Вальтер Бинотто в Instagram". Instagram . Получено 2023-04-05 .
  34. ^ Филиппо Тьери (2023-04-04). "Филиппо Тьери в Instagram". Instagram . Получено 2023-04-05 .
  35. ^ abc BA, Науки о Земле. "Как изучаются спрайты". ThoughtCo . Получено 2020-07-10 .
  36. ^ "Атмосферные явления". castle-kaneloon.tripod.com . Получено 2020-07-10 .
  37. ^ Филлипс, доктор Тони (2020-05-31). «Представляем Зелёного Призрака». Spaceweather.com . Получено 2020-07-10 .
  38. ^ Шима, Хэнк (25.05.2019). "Красные спрайты и синие струи объяснены - Новое открытие!". YouTube . Архивировано из оригинала 15.12.2021.
  39. ^ Пассас-Варо, Мария; Ван дер Вельде, Оскар; Гордилло-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. Бибкод : 2023NatCo..14.7810P. дои : 10.1038/s41467-023-42892-1 . ISSN  2041-1723. ПМЦ 10716262 . PMID  38086836. 
  40. ^ Лайонс, Уолтер; Нельсон, Томас; Армстронг, Рассел; Пасько, Виктор; Стэнли, Марк (19.11.2002). «Восходящие электрические разряды с вершин грозовых облаков» (PDF) .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Кратковременные световые явления .