Висхідні блискавки

20 років тому, в ніч з 5 по 6 липня 1989 року, в історії вивчення планети Земля відбулася важлива подія. Джон Рендольф Вінклер, професор, 73-річний ветеран NASA, направив на грозові хмари високочутливу відеокамеру, а потім, переглядаючи запис кадр за кадром, виявив дві яскраві спалахи, які на відміну від блискавок йшли не вниз, до землі, а вгору, до іоносфери . Так були відкриті спрайт - найбільші з висотних розрядів в атмосфері Землі. Вони наочно підтвердили існування на нашій планеті глобальної електричного кола і дали нові можливості для її дослідження.

Розряди, зареєстровані Джоном Вінклер, стартували з висоти 14 кілометрів, а їх розміри становили понад 20 кілометрів. Механізм, що приводить до їх появи, був неясний, і була потрібна велика наукова сміливість, щоб оголосити про електричному розряді, що піднімається від кордонів тропосфери на таку висоту.

Щоб отримати більш переконливі докази, натхнений Вінклер дочекався, коли Міннесоту накрив ураган «Хьюго» і в ніч з 22 на 23 вересня знову записав на відеокамеру багато подібних висотних розрядів над грозовими хмарами. Цікаво, що формально він вів це дослідження як любитель, оскільки воно не входило ні в які програми наукових робіт. Але Вінклер, звичайно, не був любителем і діяв рішуче, як людина, чітко усвідомлює свою місію. Від минулої роботи в NASA у нього залишилася несправна високошвидкісна відеокамера. Він умовив декана фізичного факультету Університету Міннесоти виділити на її ремонт 7000 доларів і встановив у себе вдома обладнання для аналізу записів.

Унікальні кадри гігантських розрядів злякали Уінклера не менш, ніж обрадували. А що якщо такий розряд вдарить в літальний апарат? І вчений звернувся до колег з NASA з попередженням. Ті засумнівалися. Що за розряди? Але з поваги до минулого Уінклера взялися переглянути записи, зроблені під час польотів космічних човників. І вони не повірили своїм очам: на плівках виявилося більше десятка подібних розрядів. Вінклер потрапив в точку. Як професіонал, він довів справу до логічного кінця - публікацій у провідних наукових журналах Geophysical Research Letters (1989) і Science (1990).

Статті буквально викликали шок у фахівців з астрономії, атмосферному електрики, радіофізики, атмосферної акустиці, фізиці газового розряду і аерокосмічної безпеки. Після цих публікацій в NASA вже не могли відмахнутися від можливої загрози космічним кораблям і почали розгорнуте дослідження висотних розрядів. За три роки підготовки до цієї роботи з Вінклер не раз радилися, але в саму програму так і не включили.

В першу ж ніч спостережень, 7 липня 1993 року, на науковій станції поблизу Форт-Колінса (штат Колорадо) здивовані дослідники зафіксували більше 240 висотних розрядів. На наступну ніч, щоб виключити помилку у визначенні висоти, була задіяна спеціалізована лабораторія, що літає на борту літака DC-8. Результати перевершили всі очікування: величезні спалахи були виявлені на висотах не менше 50-60 кілометрів. На честь непосидючого Пака з шекспірівського «Сну в літню ніч» їм дали назву спрайтів, тобто духів повітря. Природно, постало питання: чому про ці розрядах нічого не знали раніше, якщо кожен потужний грозовий фронт породжує їх десятками?

Аналіз літератури показав, що протягом сотні років багато людей бачили над хмарами не звичайні і дуже великі розряди. Їх називали ракетними блискавками, хмарно-стратосферними розрядами, висхідними блискавками і навіть блискавками «хмара - космос». Але за відсутності надійних доказів дивні повідомлення очевидців просто ігнорувалися. Відмахнулися навіть від такого відомого і заслуженого фахівця в області атмосферної електрики, як нобелівський лауреат Чарлз Томсон Вільсон, який ще в 1956 році писав у своїй статті про подібне явище. Знадобилися чуття, досвід, наполегливість і безстрашність професора Джона Уінклера, щоб «цього не може бути» дуже швидко перетворилося в «так хто ж цього не знає». Тепер на численних роликах в Інтернеті можна в деталях розглянути ці розряди.

Джон Вінклер помер в 2001 році. Більше робіт по висотним розрядами він не робив, хоча важко повірити, що не хотів - після такого-то успіху. На його публікацію в Science справно посилалися, але в проекти, мабуть, не включали. У некролозі, написаному колегами, протягає образа за нього. А даремно. Кожен день Джону Рендольф Вінклер салютують червоно-фіолетові спрайт, адже він навчив людей їх бачити.

Незабаром дослідники виявили ціле світлове шоу, що розвертається в верхніх шарах атмосфери над свинцевими грозовими фронтами. Головні актори в ньому (в порядку знизу вгору): блакитні джети, яких іноді називають гномами (якщо вже вони внизу), посередині червоно-фіолетові спрайт і гало, а над ними червонуваті кільця - ширяють у височині ельфи. Але, звичайно, не треба забувати режисера, що стоїть за грандіозним спектаклем, - це всім відомі грозові хмари і блискавки. Взагалі-то ще недавно група була більш численною, але дослідники поступово позбулися духів, медуз (деякі види спрайтів) та іншої гучної «живності».

Треба зауважити, що вправи в красивих назвах не просто забави в стилі «фізики жартують», як може здатися на перший погляд. Як і в шоу-бізнесі, в науці просування ідей і напрямів грає важливу роль, адже і тут, і там йде боротьба за ресурси. Область науки, яка на слуху у публіки, звичайно фінансується більш щедро. Згадайте хоча б нанотехнології, про які всі говорять, але ніхто толком не може пояснити, що це таке і чому туди потрібно направити стільки коштів. Але повернемося до нашого спектаклю і докладніше представимо всіх шановній публіці.

Ельфи - самі ефемерні і короткоживучі в сімействі висотних розрядів. Ці світні червоно-фіолетові кільця виникають в нижній іоносфері на висотах 80-100 кілометрів. Менше ніж за мілісекунду світіння, виникнувши в центрі, розширюється до 300-400 кілометрів і згасає. Вивчено ельфи не дуже докладно, ймовірно, тому, що не викликають особливих суперечок і не обіцяють серйозного просування в розумінні природи атмосферних розрядів. Вони народжуються через три десятитисячних секунди (300 мікросекунд) після сильної блискавки, що вдарила з грозової хмари в землю. Її стовбур стає «передавальною антеною», від якої зі швидкістю світла стартує потужна сферична електромагнітна хвиля дуже низької частоти. За 300 мікросекунд вона якраз добирається до висоти 100 кілометрів, де збуджує червоно-фіолетове світіння молекул азоту. Чим далі йде хвиля, тим ширше стає кільце, поки не згасає з віддаленням від джерела.

Блакитні джети, або гноми, - найзагадковіші, рідкісні і важкі для спостереження істоти в ансамблі нових висотних розрядів. Виглядає гном, як блакитний вузький перевернутий конус, що стартує з верхнього краю грозової хмари і досягає іноді 40-кілометрової висоти. Швидкість поширення блакитних джетів - від 10 до 100 км / с. Але найдивніше, що їх поява не завжди пов`язано з видимими розрядами блискавок. На висотах, звідки стартують джети, тиск ще досить висока, і не дивно, що вони блакитні. Так світять блискавка, коронний розряд на проводах, іскровий розряд і навіть полум`я високої температури. Це теж світіння молекул азоту, але не в червоно-фіолетовою смузі, як у випадку ельфів, а в ультрафіолетове-блакитний.

Крім звичайних джетів з верхньої кромки хмари іноді зриваються вгору так звані блакитні стартери. Вони не піднімаються вище 30 кілометрів. Одні вчені вважають, що це просто розряд блискавки, спрямований вгору, в область, де тиск швидко падає, і тому стартери розширюються набагато сильніше звичайних блискавок. Інші вважають їх недорозвиненими джетами.

Але найцікавіший тип блакитних джетів назвали гігантськими джетами. Стартуючи не дуже далеко від поверхні Землі, вони досягають 90-кілометрової висоти. Інтерес геофізиків до гігантських джетам під стати їх розмірами, адже ці розряди здійснюють «безпосадочний переліт» з тропосфери прямо в іоносферу. Однак спостерігаються вони надзвичайно рідко, і надійно їх реєстрували не більше дюжини разів. При цьому живуть вони частки секунди, що, в принципі, дозволяє помітити їх неозброєним оком.

Теорія джетів робить лише перші кроки. Поки неясно навіть, на що схоже це явище. Якщо за своєю природою вони близькі до світиться каналу блискавки в стадії розвитку, то стає зрозуміло, чому народження джета не пов`язане з блискавками: він сам - блискавка. Але, можливо, більш близькою аналогією є розряд всередині грозової хмари, який живить енергією канал блискавки. В цьому випадку зрозуміти природу джетів буде ще важче, оскільки теорія таких розрядів знаходиться в початковій стадії розвитку.

Червоним спрайт присвячено найбільше число спостережень і публікацій. Це справжні поп-зірки серед висотних атмосферних розрядів. Іноді здається, що інтерес до них настільки ж перегрітий, як і до популярних співаків. Чим же вони заслужили таку увагу? Справа, ймовірно, в тому, що їх нескладно спостерігати (якщо, звичайно, знати про те, що це можливо). Щодоби на земній кулі народжуються десятки тисяч спрайтів, і просто дивно, що їх так довго не помічали.

Спрайт - дуже яскраві об`ємні спалахи, що виникають на висоті 70-90 кілометрів і спускаються вниз на 30-40 кілометрів, а іноді і більше. У верхній частині їх ширина досягає часом десятків кілометрів. Це найоб`ємніші з висотних розрядів. Як і ельфи, спрайт складаються в прямому спорідненні з блискавками, але не з усіма. Більшість блискавок б`є з тієї частини хмари, яка заряджена негативно (вона в середньому розташована ближче до землі). Але 10% блискавок, що досягають землі, стартують з області позитивного заряду, а так як основна область розташування позитивного заряду більше, ніж негативного, то позитивні блискавки могутніше. Вважається, що саме такі потужні розряди породжують спрайт, що спалахують в мезосфері приблизно через соту частку секунди після розряду класу «хмара - земля».

Червоно-фіолетовий колір спрайтів, як і у ельфів, пов`язаний з атмосферним азотом. Верхня частина спрайту світиться однорідно, а ось нижче 70 кілометрів розряд ніби сплітається з каналів товщиною в сотні метрів. Їх структура - найцікавіша для вивчення особливості спрайтів. Канали називають стримерами по аналогії з добре відомими розрядами-голочками у гострих країв предметів в грозову погоду і у високовольтних проводів. Правда, товщина земних стримеров порядку міліметра, а в спрайт вони в 100 000 разів більше. Поки неясно, чому діаметр стримеров так сильно збільшується - набагато швидше, ніж падає з висотою тиск повітря.

Гало - це однорідне червонувато-фіолетове світіння на висоті близько 80 кілометрів. Причина розряду, мабуть, та сама, що і у верхній частині спрайтів, але на відміну від них гало завжди виникає прямо над спалахом блискавки. Спрайт ж дозволяють собі вільність перебувати де-небудь збоку. Існує, мабуть, певний зв`язок між спрайтами і гало, але її механізм поки неясний. Вони з`являються то разом, то порізно. Можливо, гало і є верхня частина спрайтів, коли напруженості електричного поля не вистачило, щоб розряд поширився в більш щільний нижній повітря.

Згідно Географічною мапі гроз, найбільшими шансами побачити спрайт володіють жителі екваторіальної і тропічної зони Земної кулі. Саме в цій області трапляється до 78% всіх гроз. Жителі Росії також можуть спостерігати спрайт. Пік гроз в нашій країні припадає на липень-серпень місяць. Саме в цей час любителі астрономії можуть побачити таке красиве явище як спрайт.

Згідно з американським Довідника спостереження за спрайтами і гігантськими джетами, для того, щоб побачити спрайт, спостерігач повинен перебувати на відстані приблизно 100 кілометрів від епіцентру грози. Для того щоб спостерігати джети, йому слід навести оптику на 30-35 градусів у напрямку до грозової області. Тоді він зможе спостерігати частина іоносфери на висоті до 50 кілометрів, саме в цій області найчастіше з`являються джети. Щоб спостерігати спрайт, слід навести бінокль на кут 45-50 градусів, що буде відповідати області неба на висоті близько 80 км - місця, де народжуються спрайт.

Для кращого і більш детального вивчення спрайтів, джетів, а тим більше ельфів, спостерігачеві краще скористатися спеціальною кіноапаратурою, яка дозволить детально зафіксувати небесні спалаху. Найбільш вдалий час для полювання за спрайтами в Росії - період з середини липня по середину августа.Інтересние факти

Спрайт, як і блискавки, зустрічаються не тільки на Землі, але і на інших планетах Сонячної системи. Імовірно саме спрайт були зафіксовані космічними дослідницькими апаратами під час сильних штормів на Венері, Сатурні і Юпітері.

Спрайт і ельфи виникають на такій великій висоті через сильну іонізації повітря галактичної пилом. На висоті понад 80 кілометрів провідність струму в десять мільярдів разів вище, ніж в приземних шарах атмосфери.

Назва «спрайт» походить від назви лісових духів, про які йде мова в комедії Вільяма Шекспіра «Сон в літню ніч».

Спрайт були відомі людству задовго до 1989 року. Люди висловлювали різні гіпотези на рахунок природи цього явища, в тому числі і те, що спалахи світла є інопланетними космічними кораблями. І тільки після того, як Джону Вінклер вдалося зняти кадри спрайтів в іоносфері, вчені довели, що вони мають електричне походження.

Колір спрайтів, джетів і ельфів різниться від висоти, на якій вони з`являються. Справа в тому, що в навколоземній атмосфері зосереджено більше повітря, тоді як у верхніх шарах іоносфери спостерігається висока концентрація азоту. Повітря горить синім і білим полум`ям, азот - червоним. З цієї причини джети, які знаходяться нижче спрайтів, мають переважно синій колір, а самі спрайт і, більш високі, ельфи - червонуватий відтінок.