V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы доклада заключается в том, что эта область науки пока исследована не полностью. И хотя первые упоминания о спрайтах были сделаны еще в 1989 году, за последующие 23 года исследований ученные так и не смогли полностью объяснить сущность этого непростого явления и причины его появления.

Основная гипотеза о природе этого необычного явления такова: в норме при ударе молнии электроны из нейтральной в целом тучи уходят вниз, унося отрицательный заряд. А вверху облака остается положительный. Иногда (один раз из десяти, при особо сильных разрядах) всё, по тем же неясным причинам, происходит наоборот: положительный заряд движется к земле, а отрицательный, предположительно, устремляется вверх, образуя спрайт.

Именно поэтому данное физическое явление меня особенно заинтересовало.

Целью моей научно-исследовательской работы является изучение природы возникновения особых видов молний и выяснение причин их возникновения.

Обобщить изучение данного явления я и хочу в данной исследовательской работе.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 ГЛАВА

В фундаментальном универсальном справочно-информационном издании «Новая Российская энциклопедия» /1, с.135 / при раскрытии понятия молния, упоминается, что в 1990-е гг. в верхних слоях атмосферы Земли (на высоте около 100 км) были обнаружены восходящие молнии нового типа, зарождающиеся и распространяющиеся снизу вверх.

В 1989 году в ночь с 5 на 6 июля в истории изучения планеты Земля произошло важное событие. Джон Рандольф Уинклер, отставной профессор, 73-летний ветеран NASSA, направил на грозовые облака высокочувствительную видеокамеру, а потом, просматривая запись кадр за кадром, обнаружил две яркие вспышки, которые в отличие от молнии 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.

Разряды, зарегистрированные Джоном Уинклером, стартовали с высоты 14 км, а их размеры составляли более 20 км. 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.

2 ГЛАВА 2.1. ИСТОРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ

Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. 6-го июля физики из университета Миннесоты тестируют новую чувствительную камеру для экспериментов на большой высоте, камера была направлена на звезды случайным образом. В объектив попала гроза вдали. После просмотра записи обнаружили воронкообразные вспышки света длительностью несколько миллисекунд, примерно в 30 км над облаками длинной 20 км. По чистой случайности в объектив попало неизвестное науке явление. После этого начали просматривать съемки со спутников и оказалось что в кадр попадали десятки таких вспышек. Разница цветов у спрайта объясняется различным давлением и составом атмосферы на разных высотах. На высоте 70км, азот дает красное свечение, а чем ближе к земле, тем больше давление и количество кислорода, что и меняет цвет на синий, голубой и белый.

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.

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? 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.

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.

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.

На протяжении последних пяти лет ученые из Национального космического центра Дании изучали спрайты при помощи камер на вершинах гор. Однако они позволяли делать лишь снимки небольших вспышек из облаков, расположенных на небольшой высоте. Размещение камер на МКС позволит производить наблюдения за огромными вспышками, вырывающимися из облаков.

В настоящее время в Национальном космическом центре Дании уже есть отработанный набор инструментов для подобных исследований, получивший название Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM). Его и намерено использовать в своих исследованиях ЕКА.

По словам Торбена Ньюберта из Национального космического центра Дании одной из главных задач, которые предстоит решить в ходе научной работы, является понимание природы образования вспышек и измерение частоты их появления.

В настоящее время тайваньский спутник под названием ISUAL ("Формирователь изображений спрайтов и молний в верхних слоях атмосферы") фиксирует эти скоротечные явления, происходящие на большой высоте, с низкой околоземной орбиты.

2.2. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ

Спрайты трудно различимы, но они появляются в сильную грозу на высоте примерно от 50 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров) и достигают в длину до 60км и до 100км в диаметре. Спрайты появляются через десятые доли секунды после удара очень сильной молнии и длятся менее 100 миллисекунд. Чаще всего спрайты распространяются одновременно вверх и вниз, но при этом распространение вниз заметно больше и быстрее .

Спрайты, которые происходят только в сочетании с грозой, никогда не возникают сами по себе и напоминают похожие на природные явления, которые атмосферные электрики прозвали «эльфы», «гоблины», «тролли». «Молния во время грозы может создать поле электрической напряженности в пространстве над собой, что визуально будет выглядеть как вспышка света странной формы, которая обычно называется спрайтом» —утверждает Колин Прайс, геофизик из университета Тель-Авива, — «Мы сейчас понимаем, что специфические разновидности молний могут вызвать такой эффект выше в атмосфере».

Спрайт - редкий вид грозовых разрядов. Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 км (высота образования «обычных» молний - не более 16 км). Спрайты над грозой напоминают свечи на пироге диаметром до 70 км. Спрайты не висят в небе неподвижно, а совершают «танцующие» движения.

Спрайты возникают чаще группами, чем по одному, организованы по кругу. Люди, утверждающие, что видели НЛО, могли принять систему спрайтов за неопознанный объект. «Свечи» (вертикальные столбы света) в спрайтах достигают 20 км в высоту, их пучок может быть диаметром до 70 км.

2.3. КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

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 км, где возбуждает красно-фиолетовое свечение молекул азота. Чем дальше уходит волна, тем шире становится кольцо, пока не угасает с удалением от источника.

Эльфы — световые диски, быстро расширяющиеся до нескольких сотен километров в диаметре. Подобно спрайтам, они образуются над молниями «облако-земля», возможно, вследствие электромагнитного импульса, резко усиливающегося в ионосфере. Эльфы «живут» всего лишь тысячную долю секунды. Впервые они были зафиксированы на видео во время полета космического шаттла в 1992 году. Эльфы — явления завораживающие и редкие.

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.

Голубые джеты возникают над грозовыми системами и существуют в течение очень короткого промежутка времени. Они вырываются по направлению снизу вверх из верхней части ядра грозы, ее наиболее электрически активной области. Их узкие конусы рассеиваются и затухают на высоте примерно 40 км. Спрайты «живут» около двух десятых долей секунды.

Голубые стартеры ярче, чем джеты, но образуются в более низких слоях атмосферы. Они появляются над областями выпадения крупного града. Гномы выглядят как уплотненные голубые стартеры и появляются вместе с феями — точечными вспышками света, длящимися несколько миллисекунд. Тролли имеют такую же форму, как и голубые джеты, но они красного цвета.

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. 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.

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».

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.

Красные спрайты вспыхивают над грозовыми облаками после мощного, положительно заряженного удара молнии «облако-земля». Слабые вспышки распространяются на километры и достигают стратосферы (некоторые — отметки в 95 км). Они имеют форму труб или медуз с тонкими голубыми усиками внизу. В самой высокой точке они могут образовывать дискообразные молнии, называемые ореолами спрайта. Красный — цвет ионизированного азота, наиболее распространенного газа в атмосфере. Спрайты «живут» всего несколько миллисекунд.

Красно-фиолетовый цвет спрайтов, как и у эльфов, связан с атмосферным азотом. Верхняя часть спрайта светится однородно, а вот ниже 70 км 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.

Гало — это однородное красновато-фиолетовое свечение на высоте около 80 км. 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной исследовательской работы мы можем сделать следующие выводы:

Кратковременные световые явления (TLE) — это виды молний, возникающие в верхних слоях атмосферы Земли (в стратосфере и ионосфере). Огромная высота, на которой они возникают, и их более чем скоротечная жизнь служат объяснением того, почему их существование не было подтверждено документально до начала космической эры.

Космические аппараты и реактивные самолеты фиксируют изображения красных спрайтов сверху. Если запастись терпением, их можно увидеть ночью на далеком горизонте во время грозы. Подождите, пока глаза приспособятся к темноте, а затем постарайтесь разглядеть короткие, тусклые красные вспышки над сверкающими грозовыми облаками.

Не стоит забывать об опасности, которую несут собой молнии.

В нашей стране этой проблемой ученые плотно не занимались, видимо потому что исследования требуют крупных финансовых затрат.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Фотоснимок предоставлен Национальной лабораторией исследования ураганов. На этом фотоснимке изображены различные кратковременные световые явления.

БИБЛИОГРАФИЯ

Новая Российская энциклопедия: В 12 т./Редкол.: А.Д.некипелов, В.И.Данилов-Данильян и др.-М.: ООО «Издательство«Энциклопедия»:ИНФРА-М, 2003г.

http://tver.festivalnauki.ru

http:// picslife.ru

http:// elf.alaska.edu/

http://forum.na-svyazi.ru/

http://www.ecology.md

Код для цитирования: Скопировать