Восходящие молнии

20 лет назад, в ночь с 5 по 6 июля 1989 года, в истории изучения планеты Земля произошло важное событие. Джон Рандольф Уинклер, отставной профессор, 73-летний ветеран NASA, направил на грозовые облака высокочувствительную видеокамеру, а потом, просматривая запись кадр за кадром, обнаружил две яркие вспышки, которые в отличие от молний шли не вниз, к земле, а вверх, к ионосфере. Так были открыты спрайты — самые крупные из высотных разрядов в атмосфере Земли. Они наглядно подтвердили существование на нашей планете глобальной электрической цепи и дали новые возможности для ее исследования.

Узнаем об этом подробнее …

Разряды, зарегистрированные Джоном Уинклером, стартовали с высоты 14 километров, а их размеры составляли более 20 километров. Механизм, приводящий к их появлению, был неясен, и требовалась большая научная смелость, чтобы объявить об электрическом разряде, поднимающемся от границ тропосферы на такую высоту.

Чтобы получить более убедительные доказательства, воодушевленный Уинклер дождался, когда Миннесоту накрыл ураган «Хьюго» и в ночь с 22 на 23 сентября снова записал на видеокамеру много подобных высотных разрядов над грозовыми облаками. Интересно, что формально он вел это исследование как любитель, поскольку оно не входило ни в какие программы научных работ. Но Уинклер, конечно, не был любителем и действовал решительно, как человек, четко осознающий свою миссию. От прошлой работы в NASA у него осталась неисправная высокоскоростная видеокамера. Он уговорил декана физического факультета Университета Миннесоты выделить на ее ремонт 7000 долларов и установил у себя дома оборудование для анализа записей.

Фото 3.

Уникальные кадры гигантских разрядов испугали Уинклера не меньше, чем обрадовали. А что если такой разряд ударит в летательный аппарат? И ученый обратился к коллегам из NASA с предупреждением. Те засомневались. Что за разряды? Но из уважения к прошлому Уинклера взялись просмотреть записи, сделанные во время полетов космических челноков. И они не поверили своим глазам: на пленках обнаружилось больше десятка подобных разрядов. Уинклер попал в точку. Будучи профессионалом, он довел дело до логического конца — публикаций в ведущих научных журналах Geophysical Research Letters (1989) и Science (1990).

Статьи буквально вызвали шок у специалистов по астрономии, атмосферному электричеству, радиофизике, атмосферной акустике, физике газового разряда и аэрокосмической безопасности. После этих публикаций в NASA уже не могли отмахнуться от возможной угрозы космическим кораблям и начали развернутое исследование высотных разрядов. За три года подготовки к этой работе с Уинклером не раз советовались, но в саму программу так и не включили.

Фото 4.

В первую же ночь наблюдений, 7 июля 1993 года, на научной станции вблизи Форт-Коллинса (штат Колорадо) удивленные исследователи зафиксировали больше 240 высотных разрядов. На следующую ночь, чтобы исключить ошибку в определении высоты, была задействована специализированная летающая лаборатория на борту самолета DC-8. Результаты превзошли все ожидания: огромные вспышки были обнаружены на высотах не менее 50—60 километров. В честь непоседливого Пака из шекспировского «Сна в летнюю ночь» им дали название спрайтов, то есть духов воздуха. Естественно, встал вопрос: почему об этих разрядах ничего не знали раньше, если каждый мощный грозовой фронт порождает их десятками?

Фото 5.

Анализ литературы показал, что на протяжении сотни лет многие люди видели над облаками не обычные и очень большие разряды. Их называли ракетными молниями, облачно-стратосферными разрядами, восходящими молниями и даже молниями «облако — космос». Но в отсутствие надежных доказательств странные сообщения очевидцев просто игнорировались. Отмахнулись даже от такого известного и заслуженного специалиста в области атмосферного электричества, как нобелевский лауреат Чарлз Томсон Вильсон, который еще в 1956 году писал в своей статье о подобном явлении. Понадобились чутье, опыт, упорство и бесстрашие профессора Джона Уинклера, чтобы «этого не может быть» очень быстро превратилось в «да кто же этого не знает». Теперь на многочисленных роликах в Интернете можно в деталях рассмотреть эти разряды.

Фото 6.

Джон Уинклер умер в 2001 году. Больше работ по высотным разрядам он не делал, хотя с трудом верится, что не хотел — после такого-то успеха. На его публикацию в Science исправно ссылались, но в проекты, видимо, не включали. В некрологе, написанном коллегами, сквозит обида за него. А зря. Каждый день Джону Рандольфу Уинклеру салютуют красно-фиолетовые спрайты, ведь он научил людей их видеть.

Фото 7.

Вскоре исследователи обнаружили целое световое шоу, разворачивающееся в верхних слоях атмосферы над свинцовыми грозовыми фронтами. Главные актеры в нем (в порядке снизу вверх): голубые джеты, которых иногда называют гномами (раз уж они внизу), посередине красно-фиолетовые спрайты и гало, а над ними красноватые кольца — парящие в вышине эльфы. Но, конечно, не надо забывать режиссера, стоящего за грандиозным спектаклем, — это всем известные грозовые облака и молнии. Вообще-то еще недавно труппа была многочисленнее, но исследователи постепенно избавились от духов, медуз (некоторые виды спрайтов) и прочей звучной «живности».

Надо заметить, что упражнения в красивых названиях не просто забавы в стиле «физики шутят», как может показаться на первый взгляд. Как и в шоу-бизнесе, в науке продвижение идей и направлений играет важную роль, ведь и здесь, и там идет борьба за ресурсы. Область науки, которая на слуху у публики, обычно финансируется более щедро. Вспомните хотя бы нанотехнологии, о которых все говорят, но никто толком не может объяснить, что это такое и почему туда нужно направить столько средств. Но вернемся к нашему спектаклю и подробнее представим всех почтеннейшей публике.

Фото 8.

Эльфы — самые эфемерные и короткоживущие в семействе высотных разрядов. Эти светящиеся красно-фиолетовые кольца возникают в нижней ионосфере на высотах 80—100 километров. Меньше чем за миллисекунду свечение, возникнув в центре, расширяется до 300—400 километров и угасает. Изучены эльфы не очень подробно, вероятно, потому, что не вызывают особых споров и не сулят серьезного продвижения в понимании природы атмосферных разрядов. Они рождаются через три десятитысячных секунды (300 микросекунд) после сильной молнии, ударившей из грозового облака в землю. Ее ствол становится «передающей антенной», от которой со скоростью света стартует мощная сферическая электромагнитная волна очень низкой частоты. За 300 микросекунд она как раз добирается до высоты 100 километров, где возбуждает красно-фиолетовое свечение молекул азота. Чем дальше уходит волна, тем шире становится кольцо, пока не угасает с удалением от источника.

Фото 9.

Голубые джеты, или гномы, — самые загадочные, редкие и трудные для наблюдения существа в ансамбле новых высотных разрядов. Выглядит гном, как голубой узкий перевернутый конус, стартующий с верхнего края грозового облака и достигающий иногда 40-километровой высоты. Скорость распространения голубых джетов — от 10 до 100 км/с. Но самое странное, что их появление не всегда связано с видимыми разрядами молний. На высотах, откуда стартуют джеты, давление еще относительно высокое, и неудивительно, что они голубые. Так светят молния, коронный разряд на проводах, искровой разряд и даже пламя высокой температуры. Это тоже свечение молекул азота, но не в красно-фиолетовой полосе, как в случае эльфов, а в ультрафиолетово-голубой.

Фото 10.

Кроме обычных джетов с верхней кромки облака иногда срываются вверх так называемые голубые стартеры. Они не поднимаются выше 30 километров. Одни ученые полагают, что это просто разряд молнии, направленный вверх, в область, где давление быстро падает, и потому стартеры расширяются гораздо сильнее обычных молний. Другие считают их недоразвитыми джетами.

Но самый интересный тип голубых джетов назвали гигантскими джетами. Стартуя не очень далеко от поверхности Земли, они достигают 90-километровой высоты. Интерес геофизиков к гигантским джетам под стать их размерам, ведь эти разряды совершают «беспосадочный перелет» из тропосферы прямо в ионосферу. Однако наблюдаются они чрезвычайно редко, и надежно их регистрировали не более дюжины раз. При этом живут они доли секунды, что, в принципе, позволяет заметить их простым глазом.

Фото 11.

Теория джетов делает лишь первые шаги. Пока неясно даже, на что похоже это явление. Если по своей природе они близки к светящемуся каналу молнии в стадии развития, то становится понятно, почему рождение джета не связано с молниями: он сам — молния. Но, возможно, более близкой аналогией является разряд внутри грозового облака, который питает энергией канал молнии. В этом случае понять природу джетов будет еще труднее, поскольку теория таких разрядов находится в начальной стадии развития.

Фото 12.

Красным спрайтам посвящено наибольшее число наблюдений и публикаций. Это настоящие поп-звезды среди высотных атмосферных разрядов. Иногда кажется, что интерес к ним столь же перегрет, как и к популярным певцам. Чем же они заслужили такое внимание? Дело, вероятно, в том, что их несложно наблюдать (если, конечно, знать о том, что это возможно). Каждые сутки на земном шаре рождаются десятки тысяч спрайтов, и просто удивительно, что их так долго не замечали.

Спрайты — очень яркие объемные вспышки, возникающие на высоте 70—90 километров и спускающиеся вниз на 30—40 километров, а иногда и больше. В верхней части их ширина достигает порой десятков километров. Это самые объемные из высотных разрядов. Как и эльфы, спрайты состоят в прямом родстве с молниями, но не со всеми. Большинство молний бьет из той части облака, которая заряжена отрицательно (она в среднем расположена ближе к земле). Но 10% молний, достигающих земли, стартуют из области положительного заряда, а так как основная область расположения положительного заряда больше, чем отрицательного, то положительные молнии мощнее. Считается, что именно такие мощные разряды порождают спрайты, вспыхивающие в мезосфере примерно через сотую долю секунды после разряда класса «облако — земля».

Фото 13.

Красно-фиолетовый цвет спрайтов, как и у эльфов, связан с атмосферным азотом. Верхняя часть спрайта светится однородно, а вот ниже 70 километров разряд как будто сплетается из каналов толщиной в сотни метров. Их структура — самая интересная для изучения особенности спрайтов. Каналы называют стримерами по аналогии с хорошо известными разрядами-иголочками у острых краев предметов в грозовую погоду и у высоковольтных проводов. Правда, толщина земных стримеров порядка миллиметра, а в спрайтах они в 100 000 раз больше. Пока неясно, почему диаметр стримеров так сильно увеличивается — гораздо быстрее, чем падает с высотой давление воздуха.

Фото 14.

Гало — это однородное красновато-фиолетовое свечение на высоте около 80 километров. Причина разряда, видимо, та же, что и у верхней части спрайтов, но в отличие от них гало всегда возникает прямо над вспышкой молнии. Спрайты же позволяют себе вольность находиться где-нибудь сбоку. Существует, видимо, некая связь между спрайтами и гало, но ее механизм пока неясен. Они появляются то вместе, то порознь. Возможно, гало и есть верхняя часть спрайтов, когда напряженности электрического поля не хватило, чтобы разряд распространился в более плотный нижний воздух.

Фото 15.

Согласно Географической карте гроз, наибольшими шансами увидеть спрайты обладают жители экваториальной и тропической зоны Земного шара. Именно в этой области случается до 78% всех гроз. Жители России также могут наблюдать спрайты. Пик гроз в нашей стране приходится на июль-август месяц. Именно в это время любители астрономии могут увидеть такое красивое явление как спрайты.

Согласно американскому Справочнику наблюдения за спрайтами и гигантскими джетами, для того, чтобы увидеть спрайты, наблюдатель должен находиться на расстоянии примерно 100 километров от эпицентра грозы. Для того чтобы наблюдать джеты, ему следует навести оптику на 30-35 градусов по направлению к грозовой области. Тогда он сможет наблюдать часть ионосферы на высоте до 50 километров, именно в этой области чаще всего появляются джеты. Чтобы наблюдать спрайты, следует навести бинокль на угол 45-50 градусов, что будет соответствовать области неба на высоте около 80 км – месту, где рождаются спрайты.

Фото 16.

Для лучшего и более детального изучения спрайтов, джетов, а тем более эльфов, наблюдателю лучше воспользоваться специальной киноаппаратурой, которая позволит детально зафиксировать небесные вспышки. Наиболее удачное время для охоты за спрайтами в России – период с середины июля по середину августа.Интересные факты

Спрайты, как и молнии, встречаются не только на Земле, но и на других планетах Солнечной системы. Предположительно именно спрайты были зафиксированы космическими исследовательскими аппаратами во время сильных штормов на Венере, Сатурне и Юпитере.

Спрайты и эльфы возникают на такой большой высоте из-за сильной ионизации воздуха галактической пылью. На высоте свыше 80 километров проводимость тока в десять миллиардов раз выше, чем в приземных слоях атмосферы.

Название «спрайты» происходит от наименования лесных духов, о которых идет речь в комедии Уильяма Шекспира «Сон в летнюю ночь».

Фото 17.

Спрайты были известны человечеству задолго до 1989 года. Люди высказывали разные гипотезы на счет природы этого явления, в том числе и то, что вспышки света являются инопланетными космическими кораблями. И только после того, как Джону Уинклеру удалось снять кадры спрайтов в ионосфере, ученые доказали, что они имеют электрическое происхождение.

Цвет спрайтов, джетов и эльфов разнится от высоты, на которой они появляются. Дело в том, что в околоземной атмосфере сосредоточено больше воздуха, тогда как в верхних слоях ионосферы наблюдается высокая концентрация азота. Воздух горит синим и белым пламенем, азот – красным. По этой причине джеты, которые находятся ниже спрайтов, имеют преимущественно синий цвет, а сами спрайты и, более высокие, эльфы – красноватый оттенок.

Фото 18.

Фото 19.

Фото 20.

Фото 21.

А вот видео очень редкого явления — восходящая молния: