Содержание
Молнии и полярное сияние уже хорошо изучены. Но в верхних слоях атмосферы возникают и другие световые явления, связанные с электрическими разрядами, — спрайты, эльфы, синие джеты, голубые стартеры. Недавно приборы на МКС зафиксировали один из таких феноменов в деталях, а ученые его объяснили.
Синие джеты — молнии наоборот
Обычные молнии зарождаются в грозовых облаках в нижнем слое атмосферы — тропосфере — на высоте 12-16 километров. Направлены они вниз, к земной поверхности. После того как за планетой начали наблюдать из космоса, оказалось, что и в верхних слоях есть множество разнообразных электрических явлений.
Ближе всего к земле — синие джеты, или синие струи: разряды, похожие на молнии, длительностью несколько сотен миллисекунд. Они возникают в тех же грозовых облаках, только не на нижней, а на верхней границе — в результате электрического пробоя между положительно заряженной верхней частью облака и слоем отрицательно заряженного воздуха над ним.
Сразу после разряда вспыхивает короткий яркий отрезок, который, по аналогии с молниями, называют лидером. Иногда, если высота небольшая, на этом все и заканчивается. Такие явления известны как голубые стартеры. Но чаще струи, или, как говорят ученые, стримеры, от лидера распространяются вверх через всю стратосферу в виде узких конусов голубого цвета.
Феи и эльфы верхних слоев атмосферы
Еще выше, в мезосфере, на высоте 50-80 километров, во время сильной грозы появляются разряды холодной плазмы красного цвета — спрайты (от английского sprite — «фея»). Они возникают через десятые доли секунды после удара очень сильной молнии и длятся менее 100 миллисекунд. Спрайты распространяются одновременно вверх и вниз, достигая 60 километров в длину и 100 — в диаметре.
Спрайты нередко называют высотными молниями. Но, в отличие от последних, вещество в них не нагревается до очень высоких температур: в этом плане они больше похожи на холодные плазменные вспышки или газовые разряды в люминесцентных лампах.
Иногда спрайты видны с земли — неподвижные или «танцующие» в небе округлые объекты нередко принимают за НЛО.
В верхней части, на границе мезосферы и ионосферы, спрайты обычно заканчиваются плоскими «шляпами» — расходящимися на сотни километров кольцами красного свечения. Их называют эльфами — от аббревиатуры ELVES (Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources). Расшифровывается это как «световое излучение и низкочастотные возмущения от электромагнитных импульсов».
Как правило, эльфы возникают на высотах порядка ста километров, над мощными штормами, и длятся всего несколько миллисекунд. Считают, что их свечение связано с излучением возбужденных молекул азота, которые получают энергию от ускорившихся из-за грозы электронов.
На этом список оптических феноменов не заканчивается. В верхних слоях атмосферы есть еще «тролли», «пикси», «зеленые призраки» и «гномы» — целый зоопарк разноцветных эффектов. Специалисты полагают, что эти высотные «молнии», объединенные под именем «кратковременные световые явления» (TLE), представляют собой электрически индуцированные виды светящейся плазмы.
Большинство изучены недостаточно — они очень редкие, чрезвычайно короткоживущие и к тому же во время грозы скрыты для наблюдателя с земли плотными облаками. Ученые пытались исследовать их со спутников и горных вершин, но первые полноценные данные получили только после наблюдений с орбиты.
В 2015 году астронавт ЕКА Андреасу Могенсену зафиксировал множество синих вспышек шириной в тысячу метров на высоте 18 километров над Землей, в том числе пульсирующую синюю струю сорокакилометровой длины. Видео, записанное Андреасом во время полета над Бенгальским заливом, стало первым документальным свидетельством процесса формирования голубых джетов.
Приборы МКС выяснили природу синих «молний»
Для регулярного изучения TLE Европейское космическое агентство (ЕКА) вместе с Датским национальным космическим центром (DNSC) создали Комплекс спектроскопических приборов ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor — Монитор взаимодействий между атмосферой и космосом). В него входят оптические камеры, фотометры, чрезвычайно чувствительный субмиллиметровый спектрометр, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения, предназначенные для поиска электрических разрядов, которые распространяются над грозами в верхние слои атмосферы.
В 2018 году комплекс установили на внешней подвеске научного оборудования модуля «Коламбус» Международной космической станции, а в феврале 2019-го приборы ASIM зафиксировали в грозовой ячейке над Тихим океаном пять разрядных вспышек в синем диапазоне видимого света длительностью около десяти микросекунд каждая. Одна привела к образованию джета, который достиг стратопаузы — пограничного слоя между стратосферой и мезосферой на высоте 50-55 километров над уровнем моря.
Ученые впервые заметили: от вспышек, порождающих синие джеты, как и от спрайтов, расходятся и распространяются в нижнем слое ионосферы кольца-эльфы оптического и ультрафиолетового излучения — только не красные, а голубые. Все пять разрядов сопровождались такими концентрически расширяющимися кругами.
Кроме того, гамма-детектор ASIM обнаружил над грозовыми облаками электрон-позитронные пучки — выбросы гамма-лучей, генерируемые энергетическими электронами и их античастицами позитронами.
В недавней статье в Nature ученые подвели итоги исследования и подтвердили версию о том, что синие джеты — следствие тех же процессов, которые приводят к образованию обычных молний. По сути, это каналы в атмосфере — и по ним стекает электрический заряд. Цвет джетов, по мнению авторов, связан с ионизацией молекул азота: свечение не в красной части спектра, а в фиолетово-голубой обусловлено тем, что на больших высотах давление ниже и деактивация электронов при столкновениях не так эффективна.
Наблюдения за джетами и эльфами с борта МКС ведет и российское оборудование эксперимента «УФ-атмосфера». Оно снабжено камерой с временным разрешением 2,5 микросекунды, что обеспечивает чувствительность примерно на два порядка выше, чем у европейского.
В беседе с РИА Новости заведующий лабораторией НИИ ядерной физики (НИИЯФ) МГУ Павел Климов отметил, что российский прибор впервые зарегистрировал двойные и тройные эльфы — когда два или три кольца расходятся друг за другом. Результаты наблюдений пока не опубликовали.
