Wikipedia

Sprite (zjawisko atmosferyczne)

wielkoskalowe wyładowanie elektryczne w atmosferze
Ten artykuł dotyczy zjawiska atmosferycznego. Zobacz też: Sprite (ujednoznacznienie).

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].

Pierwsze kolorowe zdjęcie czerwonego sprite'a, zrobione z samolotu

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, powyżej wierzchołków chmur burzowych 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 z pokładu laboratorium powietrznego NASA w samolocie DC-8 wykonano podczas jednego lotu 19 zdjęć duszków nad burzami w Iowa, Nebrasce i Kansas[10].

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 22:00 do 02:00) kiedy księżyc był nisko w Oklahomie. Pomiary te umożliwiły wykonanie pierwszych kolorowych zdjęć zjawiska, potwierdzając istnienie czerwonych spritów oraz odkrywając nowy typ wyładowania – niebieski strumień (fontanna) (ang. blue jet). Wykonano również pomiary rozmiarów i czasu 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 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"[14].

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, ich dolna granica jest obserwowana na wysokości 40 km.

Mechanizm fizyczny powstawania duszków jest związany z tworzeniem się ładunku elektrycznego (najczęściej dodatniego) 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 chmury i gwałtowne przemieszczenie się elektronów swobodnych w górę[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 następującą analogię[20]. 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 są 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 zwiększają przewodnictwo elektryczne i mogą inicjować 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 nawet do 100 km. Objętościowo mogą obejmować obszar nawet 10 tysięcy km³[4]. Potrafią przybierać 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 większych 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 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 duszkami[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 przypadku wyładowań atmosferycznych pomiędzy chmurami a 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. University of Alaska Fairbanks, 2004-05-12. [dostęp 2015-11-29]. [zarchiwizowane z tego adresu (2002-09-14)]. (ang.).
  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”, 249 (4964), 1990, s. 48–51, DOI: 10.1126/science.249.4964.48 [dostęp 2023-03-12] (ang.).
  7. ↑ Walter A. Lyons, Mickey D. Schmidt, The Discovery of Red Sprites as an Opportunity For Informal Science Education, American Meteorological Society, 2003, s. 1–2 (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. ↑ D.D. Sentman, E.M. Wescott, Observations of upper atmospheric optical flashes recorded from an aircraft, „Geophysical Research Letters”, 20 (24), 1993, s. 2857–2860, DOI: 10.1029/93GL02998 [dostęp 2023-03-12] (ang.).
  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. Bibcode: 1995GeoRL..22.1205S. 
  12. ↑ Donald L. Savage, Kathy Berry: Spectacular Color Flashes Recorded Above Electrical Storms. [w:] NASA press release (94-124) [on-line]. nasa.gov, 1994-07-26. [dostęp 2015-11-27]. (ang.).
  13. ↑ a b c S. Soula i inni, Time and space correlation between sprites and their parent lightning flashes for a thunderstorm observed during the HyMeX campaign: SPRITES AND FLASH CHARACTERISTICS, „Journal of Geophysical Research: Atmospheres”, 120 (22), 2015, s. 11,552–11,574, DOI: 10.1002/2015JD023894 [dostęp 2023-03-12] (ang.).
  14. ↑ Paweł Bodzak: Detekacja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, 2007, s. 135. ISBN 978-83-88897-81-8.
  15. ↑ Williams, Earle R. "Sprites, elves and glow discharge tubes." Phys. Today, 54, (2001): 41-47.
  16. ↑ Walter A. Lyons, Sprites, Elves, and Blue Jets, „Weatherwise”, 50 (4), 1997, s. 19–23, DOI: 10.1080/00431672.1997.9926060 [dostęp 2023-03-12] (ang.).
  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. ↑ Vernon Cooray, An Introduction to Lightning, Dordrecht: Springer Netherlands, 2015, s. 351, DOI: 10.1007/978-94-017-8938-7, ISBN 978-94-017-8937-0 (ang.).
  20. ↑ a b Vernon Cooray, An Introduction to Lightning, Dordrecht: Springer Netherlands, 2015, s. 351-354, DOI: 10.1007/978-94-017-8938-7, ISBN 978-94-017-8937-0 (ang.).
  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
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Sprite_(zjawisko_atmosferyczne)&oldid=73404816”