Wyładowania Atmosferyczne Ponad Chmurami.pdf

BADANIA ZJAWISK ELEKTRYCZNYCH W ATMOSFERZE

Wy¸adowania atmosferyczne

ponad chmurami

GWIAZDY

Naukowcy odkrywaj niezwyk¸ rýnorodnoæ zjawisk elektrycznych

zachodzcych ponad chmurami burzowymi

Stephen B. Mende, Davis D. Sentman i Eugene M. Wescott

ãKRASNOLUDKIÓ

(WYSOKOå

50Ð90 KILOMETRîW)

GîRNA CZ¢å CHMURY

(WYSOKOå 5Ð10 KILOMETRîW)

åWIATüA NA ZIEMI

ãKRASNOLUDKIÓ to b¸yski æwietlne, ktre obserwuje si« na duýej wy-

sokoæci ponad chmurami burzowymi, w cz«æci atmosfery zwanej mezo-

sfer. Na og¸ wyst«puj rzadko, lecz niektre burze mog generowa

je cz«sto. Zwykle grna cz«æ chmury jest na¸adowana dodatnio, a dol-

na Ð ujemnie. Wy¸adowanie atmosferyczne rozwija si« przewaýnie od dol-

nej ujemnie na¸adowanej cz«æci chmury ku ziemi. Czasem jednak prze-

bicie nast«puje od grnej dodatnio na¸adowanej cz«æci chmury

bezpoærednio do ziemi, czemu towarzyszy w kanale wy¸adowania prze-

p¸yw prdu o wyjtkowo duýym nat«ýeniu. Mniej wi«cej jeden na 20 ta-

kich piorunw z grnej cz«æci chmury do powierzchni jest tak silny, ýe

towarzysz mu ãkrasnoludkiÓ. Taki przypadek pokazano na zdj«ciu wy-

konanym z powierzchni Ziemi za pomoc monochromatycznej kamery

wideo. Kolor zosta¸ dodany potem w taki sposb, by pasowa¸ do obra-

zw zarejestrowanych z pok¸adu samolotu.

skawice zarazem przeraýa¸y i

fascynowa¸y ludzi sw wspa-

nia¸oæci i pot«g. Na przyk¸ad w staro-

ýytnej Grecji uderzenia piorunw przy-

pisywano Zeusowi, najpot«ýniejszemu

z bogw. Nawet dziæ, gdy rozumiemy

juý mechanizm elektrycznych wy¸ado-

waÄ atmosferycznych, zjawisko to na-

dal uchodzi za nieco tajemnicze. Wie-

lu obserwatorw opisywa¸o æwietlne

b¸yski widoczne wysoko na nocnym

niebie. Niektre z nich moýna uwaýa

za zorze lub dziwnie oæwietlone chmu-

ry, lecz s i takie, ktre nie tak ¸atwo

wyjaæni. Zw¸aszcza piloci samolotw

odbywajcych loty w ciemnoæci obser-

wuj niekiedy dziwne b¸yski ponad

chmurami burzowymi. årodowisko na-

ukowe w duýej mierze nie dawa¸o wia-

ry tym doniesieniom aý do roku 1990,

kiedy to John R. Winckler ze wsp¸pra-

cownikami z University of Minnesota

po raz pierwszy zarejestrowa¸ jedno

z tych tajemniczych zjawisk za pomoc

kamery wideo. Na uzyskanych obra-

zach wida b¸yskawice ca¸kiem nowe-

go rodzaju.

Osigni«cie Wincklera da¸o pocztek

lawinie doniesieÄ na temat zjawisk

elektrycznych zachodzcych wysoko

w atmosferze. Obserwowano je setki

razy Ð z promw kosmicznych, z sa-

molotw oraz z ziemi Ð i utwierdzano

si« w przekonaniu, ýe towarzyszce

burzom wy¸adowania atmosferyczne

zdarzaj si« nie tylko w dolnej cz«æci

atmosfery, tzn. mi«dzy chmurami a po-

wierzchni naszego globu. Obecnie

wiemy juý, ýe wy¸adowania te zacho-

dz teý regularnie w rozrzedzonym po-

wietrzu ponad chmurami burzowymi

do wysokoæci 90 km.

Jest rzecz zadziwiajc, ýe zjawiska,

cz«sto widoczne nawet go¸ym okiem,

tak d¸ugo czeka¸y na odkrycie. Wyda-

je si«, ýe naukowcy nie powinni by za-

skoczeni istnieniem pewnych form wy-

¸adowaÄ elektrycznych na duýych

wysokoæciach w atmosferze. Od daw-

na przecieý wiedziano, ýe wysoko po-

nad turbulentnymi warstwami atmo-

sfery nadfioletowe promieniowanie

s¸oneczne w zderzeniach z czsteczka-

mi gazu wybija z nich swobodne elek-

trony. W ten sposb powstaje w¸aænie

jonosfera Ð przewodzca elektrycznie

warstwa atmosfery. Mi«dzy chmurami

burzowymi a jonosfer rýnica poten-

cja¸w moýe by bardzo znaczna, po-

dobnie jak mi«dzy chmurami a ziemi.

A te olbrzymie napi«cia s w¸aænie

przyczyn b¸yskawic, ktre powstaj,

gdy w powietrzu Ð w normalnych wa-

runkach b«dcym izolatorem elektrycz-

nym Ð nast«puje przebicie i tworzy si«

kana¸ przewodzcy, pozwalajcy na

przep¸yw prdu elektrycznego. Przebi-

cie moýe wi«c nastpi zarwno mi«-

dzy chmurami a ziemi, jak mi«dzy

chmurami a jonosfer.

Poniewaý ze wzrostem wysokoæci at-

mosfera staje si« coraz bardziej rozrze-

dzona, wy¸adowania na duýych wyso-

koæciach napotykaj na swej drodze

nieliczne czsteczki gazu i maj barw«

rzadko spotykan w ich typowych for-

mach. S one zwykle czerwonawe i bar-

dzo s¸abo widoczne. Dlatego teý, aby

zarejestrowa je na tle ciemnego noc-

nego nieba, trzeba uýy czu¸ych kamer

wideo. Badacze tych zjawisk atmosfe-

rycznych musz wi«c pokona trudno-

æci techniczne wynikajce ze s¸aboæci

efektw æwietlnych i ich przypadkowe-

go charakteru. Mimo to w ostatnich kil-

ku latach dokonano znacznego post«-

pu w zrozumieniu tych procesw.

Dwaj z nas (Sentman i Wescott) zaini-

cjowali badania tych form wy¸adowaÄ,

uýywajc odpowiednio wyposaýonych

samolotw odrzutowych. Natomiast

wszyscy trzej analizujemy takýe (po-

dobnie jak wielu innych naukowcw)

aktywnoæ elektryczn w grnych war-

stwach atmosfery na podstawie obser-

wacji wykonywanych z powierzchni glo-

bu. Na przyk¸ad co rok korzystamy

z goæcinnoæci Waltera A. Lyonsa, bada-

cza z ASTeR w Fort Collins w Kolora-

do, i ustawiamy nasz aparatur« w jego

ogrodowym laboratorium Ð miejscu,

gdzie moýna bez zak¸ceÄ obserwowa

nocne niebo ponad chmurami burzowy-

mi na Wielkich Rwninach. (Zdj«cia

reprodukowane na stronach 40 i 42 zo-

sta¸y wykonane w¸aænie w jego przy-

domowym laboratorium.) To tam Ð w

domu Lyonsa Ð Umran S. Inan i jego

wsp¸pracownicy ze Stanford Universi-

ty zarejestrowali fale radiowe o niskiej

cz«stotliwoæci towarzyszce wy¸adowa-

niom dojonosferycznym, co pozwoli¸o

im na sformowanie pierwszych modeli

teoretycznych tego zjawiska.

Odkryte ostatnio zjawiska elektrycz-

ne towarzyszce wy¸adowaniom atmo-

sferycznym w grnych warstwach at-

mosfery moýna podzieli na cztery

kategorie. Dwie z nich to: ãkrasnolud-

kiÓ (sprites) i ãelfyÓ (elves), ktre od-

nosz si« Ð mimo fantazyjnych nazw*

Ð do dobrze znanych zjawisk fizycz-

nych zachodzcych w atmosferze. Przy-

czyny powstawania dwch innych,

zwanych ãb¸«kitnymi fontannamiÓ

(blue jets) i impulsami promieniowania

gamma (gamma-ray events) s znacz-

nie mniej pewne. Jednak zarwno nasz

zesp¸ badawczy, jak i wiele innych na

ca¸ym æwiecie, wciý gromadzi obser-

wacje, ktre powinny doprowadzi do

zidentyfikowania mechanizmw fizycz-

nych powodujcych powstawanie tych

dziwnych zjawisk. A na razie, kontem-

plujc te niezwyk¸e impulsy energii

przecinajce eteryczny niebosk¸on,

moýemy tylko Ð jak staroýytni Ð podzi-

wia je i ba si«.

JONOSFERA

DODATNIE

WYüADOWANIA DOZIEMNE

ãKRASNOLUDKIÓ

PIORUNY zwykle doprowadzaj do ziemi ujemny ¸adunek elektryczny z dolnej cz«æci chmu-

ry (z lewej) . Czasami pot«ýne wy¸adowania powoduj gwa¸towny zanik dodatniego ¸adunku

elektrycznego, zgromadzonego w grnej cz«æci chmury (poærodku) . Silne pole elektryczne

(zmiany nat«ýenia uwidoczniono na rysunku za pomoc odcieni koloru) w obszarze mi«dzy

grn cz«æci chmury a jonosfer pociga wwczas elektrony ku grze, gdzie zderzaj si« one

z czsteczkami gazu. Jeæli pole elektryczne jest dostatecznie silne, a powietrze dostatecz-

nie rozrzedzone, to elektrony mog zosta przyspieszone do tak duýych pr«dkoæci, ýe ich

energia kinetyczna przekazywana czsteczkom gazu w zderzeniach b«dzie wystarczajca na

to, by zosta¸y one przeniesione do stanw wzbudzonych. Powrotowi czsteczki do stanu

podstawowego towarzyszy emisja æwiat¸a, co jest rd¸em ãkrasnoludkwÓ (z prawej) , ktre

pojawiaj si« na wysokoæci 50Ð90 km.

*Nie s to terminy oficjalnie przyj«te w j«zyku

polskim, a jedynie swobodny przek¸ad z angiel-

skiego (przyp. t¸um.).

å WIAT N AUKI Padziernik 1997 41

O d najdawniejszych czasw b¸y-

RîDüEM ãELFîWÓ, tak jak ãkrasnoludkwÓ, jest pole elektryczne wytwarzane na duýej wysokoæci przez wyjtkowo silne wy¸adowania doziem-

ne. ãElfyÓ maj wygld æwietlistych p¸aszczyzn w kszta¸cie naleænika (poniýej z prawej; kolor dodano w ten sposb, by obraz przypomina¸ rzeczywisty,

najcz«æciej spotykany) . ãElfyÓ mog towarzyszy ãkrasnoludkomÓ, lecz pojawiaj si« wczeæniej od nich i wczeæniej zanikaj. Sekwencja zdj«

z kamery wideo (powyýej) ukazuje przebieg zjawisk w czasie: tuý przed uderzeniem pioruna niebo jest jednorodnie ciemne (a) ; b¸yskawica oæwie-

tla grn cz«æ chmury i natychmiast pojawia si« p¸aska poæwiata ãelfwÓ wysoko w mezosferze (b) ; zaraz potem w tej cz«æci atmosfery wybu-

chaj b¸yski ãkrasnoludkwÓ, ktrych æwiat¸o towarzyszy s¸abej poæwiacie krýka ãelfwÓ (c) ; w koÄcu widoczne s tylko ãkrasnoludkiÓ (d) .

100 KILOMETRîW

WARSTWA

ãELFîWÓ

BURZA Z PIORUNAMI

0 KILOMETRîW

W WYNIKU POT¢ûNYCH WYüADOWAÁ ATMOSFERYCZNYCH powstaj impulsy pola elek-

tromagnetycznego tworzce ãelfyÓ. Taki impuls, b«dcy niczym innym jak silnym sygna¸em

atmosferycznych zak¸ceÄ radiowych, przemieszcza si« z pr«dkoæci æwiat¸a we wszystkich

kierunkach od miejsca wy¸adowania. Gdy jego cz«æ rozchodzca si« ku grze (kuliste cza-

sze) osignie pewn wysokoæ krytyczn (mniej wi«cej 75Ð100 km), elektrony s niezwykle

skutecznie przyspieszane przez pole elektryczne impulsu. Szybkie elektrony zderzaj si«

z czsteczkami powietrza i przeprowadzaj je do stanw wzbudzonych, co powoduje emisj«

æwiat¸a w miejscu, gdzie kulista czasza impulsu osiga wysokoæ krytyczn, a wi«c na ob-

szarze w kszta¸cie pieræcienia. W miar« rozchodzenia si« impulsu promieÄ tego pieræcienia

si« powi«ksza. Pieræcienie rozbiegaj si« tak szybko (w rzeczywistoæci szybciej niý æwiat¸o),

ýe s widoczne jako p¸aski dysk.

42 å WIAT N AUKI Padziernik 1997

ãBü¢KITNE FONTANNYÓ, wyst«pujce jedynie poniýej 40 km,

stosunkowo trudno jest zaobserwowa. Na zdj«ciu koloro-

wym (z prawej) wida, ýe s one intensywnie niebieskie. åwia-

t¸o o tej barwie jest silnie t¸umione przez atmosfer«, co nie

zachodzi dla czerwonawego æwiecenia ãkrasnoludkwÓ czy

ãelfwÓ. Aby mc obserwowa ãb¸«kitne fontannyÓ, trzeba

wi«c wydosta si« ponad g«ste dolne warstwy atmosfery. Te

niesamowite stoýki b¸«kitnego æwiat¸a zarejestrowali po raz

pierwszy Sentman i Wescott w 1994 roku podczas lotu po-

nad siln burz w Arkansas. Sekwencja zdj« z czu¸ej mono-

chromatycznej kamery wideo (aÐd) pokazuje, jak takie stru-

gi æwietlne wystrzelaj z grnych partii chmur burzowych

z pr«dkoæci oko¸o 120 km / s. Badacze nie uzgodnili jeszcze,

ktra z konkurujcych teorii najlepiej wyjaænia powstawanie

ãb¸«kitnych fontannÓ.

20 KILOMETRîW

IMPULSY PROMIENIOWANIA GAMMA (gamma-ray events) i promieniowania rentgenow-

skiego ponad chmurami burzowymi s najbardziej tajemniczymi zjawiskami elektryczny-

mi zachodzcymi w grnych warstwach attmosfery. Ich istnienie zosta¸o stwierdzone ca¸-

kiem niedawno dzi«ki jednemu z przyrzdw satelity Compton Gamma Ray Observatory

(z lewej) , ktry zarejestrowa¸ promieniowanie gamma biegnce od strony Ziemi. Promie-

niowanie gamma pochodzi ze rde¸ jdrowych lub kosmicznych, w zwizku z czym nie

oczekuje si« jego powstawania w atmosferze ziemskiej. Szybkie elektrony, prowadzce do

kreacji ãkrasnoludkwÓ, rzadko osigaj energi« wi«ksz niý 20 eV (jest to energia, jak

uzyskuje elektron przyspieszony w polu elektrycznym o rýnicy potencja¸w rwnej 20 V),

podczas gdy do wytworzenia promieniowania gamma potrzebna jest energia oko¸o mi-

liona elektronowoltw. Te dwie wielkoæci s tak rýne od siebie jak energie wyzwalane

przez chemiczny ¸adunek wybuchowy i bomb« jdrow. Podobnie jak ãb¸«kitne fontannyÓ

impulsy promieniowania gamma dopiero zaczynaj by przedmiotem badaÄ. Naleýy ocze-

kiwa, ýe szczeglnie pomocne b«d w tym przypadku obserwacje satelitarne.

T¸umaczy¸

Miros¸aw üukaszewski

Informacje o autorach

STEPHEN B. MENDE, DAVIS D. SENTMAN I EUGENE M. WE-

SCOTT w ostatnich kilku latach poæwi«cili wiele czasu badaniom cie-

kawych zjawisk elektrycznych w grnych warstwach atmosfery. Men-

de uzyska¸ doktorat z fizyki w Imperial College w University of London

w 1965 roku. W latach 1967Ð1996 pracowa¸ w Lockheed Palo Alto Re-

search Laboratory, a obecnie jest cz¸onkiem Laboratorium BadaÄ

Kosmicznych w University of California w Berkeley. Sentman studio-

wa¸ fizyk« przestrzeni kosmicznej pod kierunkiem Jamesa Van Alle-

na w University of Iowa, gdzie uzyska¸ doktorat w 1976 roku. Po 14

latach pracy w University of California w Los Angeles przeszed¸ na Wy-

dzia¸ Fizyki University of Alaska-Fairbanks, gdzie prowadzi zaj«cia ze

studentami. Wescott zrobi¸ doktorat z geofizyki w University of Ala-

ska-Fairbanks w 1964 roku. Przez trzy lata pracowa¸ w NASA Goddard

Space Flight Center w Maryland, a nast«pnie powrci¸ do University

of Alaska-Fairbanks na stanowisko profesora geofizyki.

Literatura uzupe¸niajca

DISCOVERY OF INTENSE GAMMA-RAY FLASHES OF ATMOSPHERIC ORIGIN . G. J. Fi-

shman, P. N. Blat, R. Mallozzi, J. M. Horack, T. Koshut, C. Kouvelio-

tou, G. N. Pendleton, C. A. Meegan, R. B. Wilson, W. S. Paciesas, S. J.

Goodman i H. J. Christian, Science , vol 264, ss. 1313-1316, 27 V 1994.

PRELIMINARY RESULTS FROM THE SPRITES94 AIRCRAFT CAMPAIGN, 1:RED SPRITES .

D. D. Sentman, E. M. Wescott, D. L. Osborne, D. L. Hampton i M.

J. Heavner, Geophysical Research Letters , vol. 22, nr 10, ss. 1205-1208,

15 V 1995.

PRELIMINARY RESULTS FROM THE SPRITES94 AIRCRAFT CAMPAIGN, 2:BLUE JETS . E. M.

Wescott, D. Sentman, D. L. Osborne, D. L.Hampton i M. J. Heavner, Geo-

physical Research Letters , vol. 22, nr 10, ss. 1209-1212, 15 V 1995.

ELIVES: LIGHTNING-INDUCED TRANSIENT LUMINOUS EVENTS IN THE LOWER JO-

NOSPHERE . H. Fukunishi, Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, U. S.

Inan i W. A. Lyons, Geophysical Research Letters , vol. 23, nr 16, ss. 2157-

2160, 1 VIII 1996.

å WIAT N AUKI Padziernik 1997 43

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: