Східні блискавки
Розряди, зареєстровані Джоном Вінклером, 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 електричний розряд, що піднімається від меж тропосфери на таку висоту.
Статті буквально викликали шок у фахівців з астрономії, атмосферної електрики, радіофізики, атмосферної акустики, фізики газового розряду та аерокосмічної безпеки. Після цих публікацій у NASA вже не могли відмахнутися від можливої загрози космічним кораблям та розпочали розгорнуте дослідження висотних розрядів. За три роки підготовки до цієї роботи з Вінклером неодноразово радилися, але в саму програму так і не включили.
Аналіз літератури показав, що протягом сотні років багато людей бачили над хмарами не звичайні та дуже великі розряди. Їх називали ракетними блискавками, хмарно-стратосферними розрядами, блискавками, що сходять, і навіть блискавками «хмара — космос». Але без надійних доказів дивні повідомлення очевидців просто ігнорувалися. Відмахнулися навіть від такого відомого та заслуженого фахівця у галузі атмосферної електрики, як нобелівський лауреат Чарлз Томсон Вільсон, який ще 1956 року писав у своїй статті про подібне явище. Знадобилися чуття, досвід, завзятість і безстрашність професора Джона Вінклера, щоб «цього не може бути» дуже швидко перетворилося на «та хто ж цього не знає». Тепер на численних роликах в Інтернеті можна детально розглянути ці розряди.
Джон Вінклер помер у 2001 році. Більше робіт з висотних розрядів він не робив, хоча важко віриться, що не хотів — після такого успіху. На його публікацію вScience справно посилалися, але проекти, мабуть, не включали. У некролозі, написаному колегами, прозирає образа за нього. А даремно. Щодня Джону Рандольфу Вінклеру салютують червоно-фіолетові спрайти, адже він навчив людей їх бачити.
Незабаром дослідники виявили ціле світлове шоу, яке розгортається у верхніх шарах атмосфери над свинцевими грозовими фронтами. Головні актори в ньому (у порядку знизу вгору): блакитні джети, яких іноді називають гномами (якщо вони внизу), посередині червоно-фіолетові спрайти і гало, а над ними червоні кільця — ельфи, що ширяють у висоті. Але, звісно, не треба забувати режисера, який стоїть за грандіозною виставою, — це всім відомі грозові хмари та блискавки. Взагалі-то ще нещодавно група була чисельнішою, але дослідники поступово позбулися духів, медуз (деякі види спрайтів) та іншої гучної «живності».
Треба зауважити, що вправи в гарних назвах не просто забави в стилі «фізики жартують», як здається на перший погляд. Як і в шоу-бізнесі, в науці просування ідей та напрямків відіграє важливу роль, адже і тут, і там триває боротьба за ресурси. Область науки, яка на слуху у публіки, зазвичай фінансується щедро. Згадайте хоча б нанотехнології, про які всі говорять, але ніхто до ладу не може пояснити, що це таке і чому потрібно туди спрямувати стільки коштів. Але повернемося до нашої вистави і докладніше представимо всіх найшанованішій публіці.
Ельфи - найефемерніші і короткоживучі в сімействі висотних розрядів. Ці червоно-фіолетові кільця, що світяться, виникають у нижній іоносфері на висотах 80—100 кілометрів. Менше ніж за мілісекунду світіння, виникши в центрі, розширюється до 300-400 кілометрів і згасає. Вивчені ельфи не дуже докладно,мабуть, оскільки викликають особливих суперечок і обіцяють серйозного просування у розумінні природи атмосферних розрядів. Вони народжуються через три десятитисячні секунди (300 мікросекунд) після сильної блискавки, яка 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 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, рідкісніші і найважчі 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 розповсюдження блакитних джетів – від 10 до 100 км/с. Але найдивніше, що їхня поява не завжди пов'язана з видимими розрядами блискавок. На висотах, звідки стартують джети, тиск ще відносно високий і не дивно, що вони блакитні. Так світять блискавка, коронний розряд на дротах, іскровий розряд і навіть полум'я високої температури. Це теж світіння молекул азоту, але не в червоно-фіолетовій смузі, як у випадку ельфів, а в ультрафіолетово-блакитній.
Крім звичайних джетів із верхньої кромки хмари іноді зриваються вгору так звані блакитні стартери. Вони не піднімаються понад 30 кілометрів. Одні вчені вважають, що це просто розряд блискавки, спрямований вгору, в область, де тиск швидко падає, і тому стартери розширюються набагато сильніше за звичайні блискавки. Інші вважають їх недорозвиненими джетами.
Але найцікавіший тип блакитних джетів назвалигігантськими джетами. Стартуючи не дуже далеко від поверхні Землі, вони досягають 90-кілометрової висоти. Інтерес геофізиків до гігантських джетів відповідно до їх розмірів, адже ці розряди здійснюють «безпосадковий 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, дає змогу помітити їх простим оком.
Теорія джетів робить лише перші кроки. Поки що неясно навіть, на що схоже це явище. Якщо за своєю природою вони близькі до каналу блискавки, що світиться, в стадії розвитку, то стає зрозуміло, чому народження джета не пов'язане з блискавками: він сам — блискавка. Але, можливо, ближчою аналогією є розряд усередині грозової хмари, яка живить енергією канал блискавки. І тут зрозуміти природу джетів буде ще складніше, оскільки теорія таких розрядів перебуває у початковій стадії розвитку.
Червоним спрайтам присвячено найбільше спостережень і публікацій. Це справжні поп-зірки серед висотних атмосферних розрядів. Іноді здається, що інтерес до них так само перегрітий, як і до популярних співаків. Чим же вони заслужили таку увагу? Справа, ймовірно, у тому, що їх нескладно спостерігати (якщо, звичайно, знати про те, що це можливо). Щодобово на земній кулі народжуються десятки тисяч спрайтів, і просто дивно, що їх так довго не помічали.
Спрайти - дуже яскраві об'ємні спалахи, що виникають на висоті 70-90 кілометрів і спускаються вниз на 30-40 кілометрів, а іноді й більше. У верхній частині їхня ширина досягає часом десятків кілометрів. Це найоб'ємніші з висотних розрядів. Як і ельфи, спрайти полягають у прямій спорідненості з блискавками, але не з усіма. Більшість блискавок б'є з тієї частини хмари, яказаряджена негативно (вона в середньому розташована ближче до землі). Але 10% блискавок, що досягають землі, стартують з області позитивного заряду, оскільки основна область розташування позитивного заряду більше, ніж негативного, то позитивні блискавки потужніше. Вважається, що саме такі потужні розряди породжують спрайти, що спалахують у мезосфері через соту частку секунди після розряду класу «хмара — земля».
Червоно-фіолетовий колір спрайтів, як і в ельфів, пов'язаний із атмосферним азотом. Верхня частина спрайту світиться однорідно, а ось нижче 70 кілометрів розряд начебто сплітається з каналів завтовшки сотні метрів. Їхня структура — найцікавіша для вивчення особливості спрайтів. Канали називають стрімерами за аналогією з добре відомими розрядами-голочками у гострих країв предметів у грозову погоду та високовольтних проводів. Щоправда, товщина земних стримерів порядку міліметра, а в спрайтах вони у 100 000 разів більші. Поки неясно, чому діаметр стримерів 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 й у верхній частині спрайтів, але на відміну від них гало завжди виникає прямо над спалахом блискавки. Спрайти ж дозволяють собі вільність перебувати десь збоку. Існує, мабуть, якийсь зв'язок між спрайтами та гало, але його механізм поки що не зрозумілий. Вони з'являються разом, то порізно. Можливо, гало і є верхня частина спрайтів, коли напруженості електричного поля не вистачило, щоб розряд поширився у нижнє повітря.
Згідно з американським Довідником спостереження за спрайтами та гігантськими джетами, для того, щоб побачитиспрайт, спостерігач повинен знаходитися 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 частину іоносфери на висоті до 50 кілометрів, саме в цій галузі найчастіше з'являються джети. Щоб спостерігати спрайти, слід навести бінокль на кут 45-50 градусів, що відповідатиме області неба на висоті близько 80 км – місцю, де народжуються спрайти.
Спрайти, як і блискавки, трапляються як на Землі, а й інших планетах Сонячної системи. Імовірно, саме спрайти були зафіксовані космічними дослідницькими апаратами під час сильних штормів на Венері, Сатурні та Юпітері.
Спрайти та ельфи виникають на такій великій висоті через сильну іонізацію повітря галактичним пилом. На висоті понад 80 кілометрів провідність струму в десять мільярдів разів вища, ніж у приземних шарах атмосфери.
Назва «спрайти» походить від найменування лісових парфумів, про які йдеться у комедії Вільяма Шекспіра «Сон літньої ночі».
Спрайти були відомі людству задовго до 1989 року. Люди висловлювали різні гіпотези щодо природи цього явища, зокрема і те, що спалахи світла є інопланетними космічними кораблями. І лише після того, як Джону Вінклеру вдалося зняти кадри спрайтів в іоносфері, вчені довели, що вони мають електричне походження.
Колір спрайтів, джетів та ельфів відрізняється від висоти, на якій вони з'являються. Річ у тім, що у навколоземній атмосфері зосереджено більше повітря, тоді як верхніх шарах іоносфери спостерігається висока концентрація азоту. Повітря горить синім та білим полум'ям, азот – червоним. З цієї причини Джети,які знаходяться нижче спрайтів, мають переважно синій колір, а самі спрайти і, вищі, ельфи – червонуватий відтінок.
