Sprite (zjawisko atmosferyczne)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ten artykuł dotyczy zjawiska atmosferycznego. Zobacz też: Sprite (ujednoznacznienie).
Pierwsze kolorowe zdjęcie czerwonego sprite'a, zrobione z samolotu

Sprite (sprit, duszek[1], chochlik[2], elf, krasnoludek, gnom[3]) – zjawisko atmosferyczne, będące wielkoskalowym wyładowaniem elektrycznym, występującym w jonosferze[1]. Zjawiska te są dużymi, choć słabo świecącymi błyskami, powstającymi ponad aktywnym systemem burzowym i są powiązanie z wyładowaniami z chmury do gruntu oraz pomiędzy chmurami[4].

Historia obserwacji[edytuj]

Różne typy elektrycznych zjawisk w atmosferze

Od 1886 duszki były opisywane w literaturze naukowej, a czasami rejestrowane nawet jako aktywność UFO. W 1925 C.T.R. Wilson[5] przewidział ich istnienie, a w 1956 nawet osobiście zaobserwował, jednak informacje te zostały zignorowane. W nocy z 5 na 6 lipca 1989 profesor John Randolph Winckler, fizyk z University of Minnesota, wraz ze swoimi studentami – Robertem Franzem i Robertem Nemzekiem – testując kamerę LLLTV ("low-light-level TV camera") zarejestrowali dwie klatki, zawierające jasne kolumny światła, zaczynające się powyżej wierzchołków chmur burzowych na głębokość około 20 km w północnej części Minnesoty[6]. Był to pierwszy udokumentowany dowód tego zjawiska, które autorzy określili jako "światło do stratosfery" (ang. light-to-stratosphere); początkowo określano to zjawisko także jako błyskawica od chmury do kosmosu (ang. cloud-to-space lightning), ale szybko przemianowanego na czerwony sprite (ang. red sprite)[7]. Franz i inni[6] oszacowali, że zjawisko to wystąpiło powyżej wierzchołków chmur burzowych (14 kilometrów) i miało pionowy zasięg około 20 km. Następnie Vaughan w 1992 roku[8] i Boeck w 1995 roku[9] opisali okołu dwudziestu podobnych zjawisk, zarejestrowanych przez kamery promu kosmicznego, występujących powyżej burz na obrzeżach Ziemi. W lipcu 1993[10] z pokładu laboratorium powietrznego NASA w samolocie DC-8 wykonano podczas jednego lotu 19 zdjęć duszków nad burzami w Iowa, Nebrasce i Kansas.

W 1994 przeprowadzono misję obserwacyjną The Sprites94 Aircraft Campaign. Dwa samoloty, Rockwell Jet Commander i Israel Aircraft Commander Westwind 2 wykonywały loty w nocy (od godziny 2200 do 0200) kiedy księżyc był nisko w Oklahomie. Pomiary te umożliwiły wykonanie pierwszych kolorowych zdjęć zjawiska, potwierdzając istnienie czerwonych spritów oraz odkrywając nowy typ wyładowanianiebieski strumień (fontanna) (ang. blue jet). Wykonano również pomiary rozmiarów i czasów trwania tych zjawisk[11][12]. Duszki są jednym z kilku zjawisk meteorologicznych z grupy chwilowych zjawisk świetlnych (ang. Transient Luminous Events (TLEs))[13].

Nazwa[edytuj]

Istnieją różne warianty tłumaczenia nazewnictwa dotyczącego zjawisk optycznych w jonosferze na język polski. W szczególności słowo sprite jest tłumaczone jako duszek[1], chochlik[2], elf, krasnoludek, gnom[3]. W książce Bodzaka[14] autor proponuje nazwę "czerwony krasnoludek", ale podkreśla, że "przytoczone tutaj polskie nazewnictwo dotyczące wyładowań jonosferycznych jest jedynie swobodnym przekładem autora z języka angielskiego i na razie nie są oficjalnie przyjęte w języku polskim."

Angielska nazwa "sprite" została wprowadzona przez D. Sentmana[15] i pochodzi od jednego z bohaterów komedii Szekspira Sen nocy letniej wesołego Puka lub bohaterów ze sztuki Szekspira Burza[16] ze względu na swoje efemeryczne i przejściowe istnienie. W polskiej literaturze szekspirowskiej Puk jest roześmianym duszkiem[17]. Inna wersja, bardzo rzadko przywoływana w literaturze naukowej, wywodzi słowo "sprite" od akronimu Stratospheric/Mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification[18].

Charakterystyka[edytuj]

Czerwony sprite ponad piorunem, sfotografowany z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Duszki rozpoczynają się na wysokości 70–90 km nad powierzchnią Ziemi i przebiegają w dół ale nigdy nie dochodzą fizycznie do górnej warstwy chmury burzowej[19]. Są jednak związane z wyładowaniami atmosferycznymi w chmurach burzowych w troposferze i ich dolna granica jest obserwowana na wysokości 40 km.

Mechanizm fizyczny powstawania duszków jest związany z tworzeniem się (najczęściej dodatniego) ładunku elektrycznego w chmurze burzowej. To powoduje przemieszczenie się w stronę wierzchołka chmury elektronów swobodnych z górnej części atmosfery i powolną migrację w przeciwnym kierunku jonów dodatnich w tych warstwach. Podczas wyładowania atmosferycznego do Ziemi następuje neutralizacja ładunku chmurowego i gwałtowne przemieszczenie się elektronów swobodnych w górę i ich jednoczesne przyśpieszenie[20]. Powoduje to jonizację atmosfery ponad regionem burzowym a azot i tlen zaczynają emitować światło o barwie czerwonej na górze sprita i niebieskiej w jego dolnej części[1]. Cooray sugeruje[20] następującą analogię. Czas akumulacji ładunku w chmurze burzowej jest stosunkowo wolny i ruch elektronów swobodnych z górnej atmosfery można przyrównać do powolnego naciągania sprężyny. Po wyładowaniu atmosferycznym do Ziemi elektrony swobodne gwałtownie przemieszczają się do jonosfery podobnie jak szybka jest reakcja wyciągniętej sprężyny, w której uwolniono siłę naciągającą.

Specyficzną formą duszków sa tzw. duszki kolumnowe (C-sprites, ang. columniform). Jedna z hipotez wyjaśniająca ich powstawanie opiera się na założeniu, że przechodzące meteory na wysokości 75 do 85 km redukują przewodnictwo elektryczne i mogą inicjalizować c-sprites[21] podczas wyładowań atmosferycznych do ziemi. Ta hipoteza wiąże zjawiska świetlne w jonosferze, z wyładowaniami atmosferycznymi w troposferze i meteorami.

Sprite może osiągnąć szerokość do 40 km, a największe z nich mają rozmiary nawet do 100 km. Objętościowo mogą obejmować obszar nawet 10 tysięcy km3[4]. Potrafią formować różne kształty: marchewki, kolumny, a nawet formy przypominające wyglądem orła. Dolna część duszka składa się z szerokich na 100 metrów, jasnych kanałów zwanych strugami (ang. streamers), górna część, powyżej 60–70 km, nie ma wyraźnego kształtu i przypomina czerwoną chmurę[1][11]. Duszki o kształcie kolumn mają taką samą szerokość niezależnie od wysokości[1]. Rzadko występują samodzielnie, zazwyczaj w skupiskach po dwa, trzy lub więcej[4].

Czas trwania zjawiska to od kilku[4] do kilkudziesięciu milisekund, czyli krócej niż wyładowanie wywołującego je pioruna[1]. Misja Sprites94 Aircraft Campaign określiła czas ich trwania na mniej niż 16 ms[11]. Energia optyczna pojedynczego zjawiska wynosi około 10–50 kJ[4]. Prędkość ich propagacji osiąga wartości pomiędzy 10 a 100 tys. km/s (większe na wyższych wysokościach)[22].

Halo[edytuj]

Duszki są czasami poprzedzone trwającym 1 ms "halo"[22]. Halo związane z duszkami powodowane jest obniżaniem się i krzywizną źródła światła; dlatego nie jest to zjawisko analogiczne do halo atmosferycznego powodowanego przez niesferyczne cząstki. Jego krótki czas trwania, rozmyty kształt i występowanie na wysokościach 70-85 km może powodować trudności w odróżnieniu go od elfów (ang. elves) czy od rozpraszania Rayleigha[23] w dolnej atmosferze powodowanego przez odbicie światła z wyładowania atmosferycznego pomiędzy chmurą i ziemią.

Obserwacje i klimatologia duszków[edytuj]

Im silniejszy jest system burzowy, tym większe szanse na wystąpienie i zaobserwowanie duszków. Ich obecność była rejestrowana na wszystkich kontynentach oprócz Antarktydy, ale najlepsze warunki do obserwacji tych zjawisk atmosferycznych są w w podrównikowych obszarach Afryki, Indonezji i Ameryki Południowej.

Obserwacje naziemne[edytuj]

Duszki powstają zazwyczaj nad Mezoskalowymi Systemami Konwekcyjnymi (ang. Mesoscale Convective System - MCS) najczęściej kiedy aktywność wyładowań atmosferycznych obniża się i kiedy stratyfikowana część MCS jest dobrze rozwinięta[13]. Ze względu na rozległy obszar stratyfikowanych chmur, nad którymi powstają duszki, optyczne obserwacje naziemne są przeprowadzane w pewnej odległości od regionu burzowego, około 150–200 km[1]. Optyczne pomiary są prowadzone obecnie w ramach sieci stacji naziemnych[13]. Inną techniką naziemną są obserwacje emitowanego promieniowania elektromagnetycznego związanego z duszakami[24].

Obserwacje satelitarne[edytuj]

Ponieważ kowadła chmur burzowych lub stratyfikowana część MCSów zasłaniają często duszki, które występują ponad nimi, zaczęto prowadzić ich obserwację z przestrzeni kosmicznej.

Obserwacje z przestrzeni kosmicznej z projektu Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning (ISUAL) na satelicie FORMOSAT-2, dokonującego pomiarów w kierunku promienia skrajnego, dały informację na temat globalnego rozkładu duszków[25]. Ilość duszków nad wodą jest mniejsza niż nad lądami i obszarami blisko brzegu w stosunku 4,1:1. Podobnie jest także w wypadku wyładowań atmosferycznych pomiędzy chmurami i ziemią, których jest znacznie więcej nad lądami niż nad oceanami w stosunku 10:1. Dane z programu ISUAL pokazały, że duszki koncentrują się nad Centralną Afryką (Kotlina Konga), Morzem Japońskim i zachodnim Oceanem Atlantyckim. Jednak pomiary z programu ISUAL mają problemy z obserwacjami nad obszarami centralnych Stanów Zjednoczonych w lecie na półkuli północnej oraz Brazylii i Argentyny w lecie na półkuli południowej ze względu na charakterystykę orbitalną tego satelity. Po uwzględnieniu poprawek na niedoszacowane obserwacje wyniki z programu ISUAL pokazały, że na całym globie duszki występują około 1 raz na minutę czyli 1440 razy w czasie 24 godzin.

Inną techniką satelitarną są pomiary wykonywane z przestrzeni kosmicznej nie w kierunku promienia skrajnego ale w kierunku Ziemi[26]. Tego typu pomiary zostały po raz pierwszy wykonane z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej[26]. Tego typu obserwacje są szczególnie przydatne do oceny rozmiarów horyzontalnych duszków.

Uszkodzenia statków powietrznych[edytuj]

Duszki były podejrzewane o powodowanie wypadków statków powietrznych, poruszających się na dużych wysokościach. 5 czerwca 1989 z placówki NASA o nazwie National Scientific Balloon Facility (NSBF) wypuszczono balon stratosferyczny, który przelatując ponad burzą w pobliżu Graham, na wysokości 37 km otrzymał impuls elektromagnetyczny, który spowodował zwarcie w układach, skutkujące m.in. otwarciem spadochronu. Istnieje przypuszczenie, że przyczyną incydentu było wyładowanie typu sprite[27].

Zobacz też[edytuj]

Przypisy[edytuj]

  1. a b c d e f g h Kamil Złoczewski: Cola, Pepsi z lodem, a może... sprite!. pkim.org, 2009-08-05. [dostęp 2015-09-09].
  2. a b Tomasz Kundera: Angielsko-polski (głównie) słownik nazw własnych i terminów astronomicznych. APOD.pl, 2014. [dostęp 2015-09-09].
  3. a b Ewelina Krajczyńska: Naukowcy zbadają chochliki w wysokich warstwach atmosfery. naukawpolsce.pap.pl, 2016-04-22. [dostęp 2016-05-13].
  4. a b c d e Matt Heavner: Red Sprites and Blue Jets (ang.). University of Alaska Fairbanks, 2004-05-12. [dostęp 2015-11-29].
  5. C. T. R. Wilson, The electric field of a thundercloud and some of its effects, Proc. R. Soc. London 37, 32D (1925).
  6. a b R. C. Franz, R. J. Nemzek, J. R. Winckler, Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System, Science 06 Jul 1990: Vol. 249, Numer 4964, strony 48-51, DOI: 10.1126/science.249.4964.48
  7. Walter A. Lyons, Mickey D. Schmidt. The Discovery of Red Sprites as an Opportunity For Informal Science Education. , s. 1–2, 2003. American Meteorological Society (ang.). 
  8. Vaughan Jr, Otha H., Richard Blakeslee, William L. Boeck, Bernard Vonnegut, Marx Brook, and Jorn McKune Jr. "A cloud-to-space lightning as recorded by the space shuttle payload-bay TV cameras." Monthly Weather Review 120, no. 7 (1992): 1459-1461.
  9. Boeck, William L., Otha H. Vaughan, Richard J. Blakeslee, Bernard Vonnegut, Marx Brook, and John McKune. "Observations of lightning in the stratosphere." Journal of Geophysical Research: Atmospheres 100, no. D1 (1995): 1465-1475.
  10. Sentman, David D., and Eugene M. Wescott. Observations of upper atmospheric optical flashes recorded from an aircraft. Geophysical Research Letters 20, no. 24 (1993): 2857-2860.
  11. a b c D.D. Sentman, E.M. Wescott, D.L. Osborne, D.L. Hampton i inni. Preliminary results from the Sprites94 aircraft campaign: 1. Red Sprites. „Geophysical Research Letters”. 22 (10), s. 1205–1208, 1995-05-15. DOI: 10.1029/95GL00583. Bibcode1995GeoRL..22.1205S. 
  12. Donald L. Savage, Kathy Berry: Spectacular Color Flashes Recorded Above Electrical Storms (ang.). W: NASA press release (94-124) [on-line]. nasa.gov, 1994-07-26. [dostęp 2015-11-27].
  13. a b c Soula, S., et al. (2015), Time and space correlation between sprites and their parent lightning flashes for a thunderstorm observed during the HyMeX campaign, J. Geophys. Res. Atmos., 120, 11,552–11,574, doi:10.1002/2015JD023894.
  14. Paweł Bodzak: Detekacja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, 2007, s. 135. ISBN 9788388897818.
  15. Williams, Earle R. "Sprites, elves and glow discharge tubes." Phys. Today, 54, (2001): 41-47.
  16. Walter A. Lyons (1997) Sprites, Elves, and Blue Jets, Weatherwise, 50:4, 19-23, DOI: 10.1080/00431672.1997.9926060
  17. Dziennik Wileński R.8, nr 106 (11 maja 1924), str. 4 donosił [..]Świetna artystka swawoliła na scenie, jak rochichotany, psotny duszek leśny, istny Puk Szekspirowski ze Snu Nocy Letniej.
  18. Price, Colin, Olga Pechony, and Eran Greenberg. "Schumann resonances in lightning research." J. of Lightning Res 1 (2007): 1-15.
  19. Cooray, Vernon. An introduction to lightning. Springer, 2015, ​ISBN 978-94-017-8937-0​ DOI 10.1007/978-94-017-8938-7, str. 351.
  20. a b Cooray, Vernon. An introduction to lightning. Springer, 2015, ​ISBN 978-94-017-8937-0​ DOI 10.1007/978-94-017-8938-7, str. 351-354.
  21. Symbalisty, Eugene MD, Robert A. Roussel-Dupré, Douglas O. ReVelle, David M. Suszcynsky, Vyacheslav A. Yukhimuk, and Michael J. Taylor. "Meteor trails and columniform sprites." Icarus 148, no. 1 (2000): 65-79.
  22. a b Matthew G. McHarg, Ryan K. Haaland, Dana Moudry, Hans C. Stenbaek-Nielsen. Altitude-time development of sprites. „Journal of Geophysical Research: Space Physics”. 107 (A11), s. SIA 9-1–SIA 9-12, 2002-11-15. American Geophysical Union. DOI: 10.1029/2001JA000283 (ang.). 
  23. Christopher P. Barrington-Leigh, Umran S. Inan, Mark Stanley. Identification of sprites and elves with intensified video and broadband array photometry. „Journal of Geophysical Research: Space Physics”. 106 (A2), s. 1741–1750, 2001-02-01. American Geophysical Union. DOI: 10.1029/2000JA000073 (ang.). 
  24. Cummer, Steven A., Umran S. Inan, Timothy F. Bell, and Christopher P. Barrington‐Leigh. "ELF radiation produced by electrical currents in sprites."Geophysical research letters 25, no. 8 (1998): 1281-1284.
  25. Chen, Alfred B., Cheng‐Ling Kuo, Yi‐Jen Lee, Han‐Tzong Su, Rue‐Ron Hsu, Jyh‐Long Chern, Harald U. Frey et al. "Global distributions and occurrence rates of transient luminous events." Journal of Geophysical Research: Space Physics 113, no. A8 (2008).
  26. a b Blanc, E., T. Farges, R. Roche, D. Brebion, T. Hua, A. Labarthe, and V. Melnikov. "Nadir observations of sprites from the International Space Station." Journal of Geophysical Research: Space Physics 109, no. A2 (2004).
  27. StratoCat: Data of the stratospheric balloon launched on 6/5/1989 from Columbia Scientific Balloon Facility, Palestine, Texas, US for Molecules observation made fluorescent with a Laser. 2009. [dostęp 2015-11-28].

Linki zewnętrzne[edytuj]