Vor 20 Jahren, in der Nacht vom 5. auf den 6. Juli 1989, fand ein wichtiges Ereignis in der Geschichte der Erforschung des Planeten Erde statt. John Randolph Winkler, ein pensionierter Professor, ein 73-jähriger NASA-Veteran, richtete eine hochempfindliche Videokamera auf die Gewitterwolken und entdeckte dann, als er die Aufnahme Bild für Bild betrachtete, zwei helle Blitze, die im Gegensatz zum Blitz nicht auf den Boden fielen, sondern bis zu Ionosphäre. So wurden Sprites entdeckt - die größten Entladungen in großer Höhe in der Erdatmosphäre. Sie bestätigten eindeutig die Existenz eines globalen Stromkreises auf unserem Planeten und boten neue Möglichkeiten für dessen Untersuchung.
Lassen Sie uns mehr darüber erfahren …
Die von John Winkler aufgezeichneten Einleitungen begannen aus einer Höhe von 14 Kilometern und hatten eine Größe von mehr als 20 Kilometern. Der Mechanismus, der zu ihrem Auftreten führte, war unklar, und es erforderte viel wissenschaftlichen Mut, die elektrische Entladung anzukündigen, die von den Grenzen der Troposphäre auf eine solche Höhe ansteigt.
Um überzeugendere Beweise zu erhalten, wartete ein begeisterter Winkler, bis der Hurrikan Hugo Minnesota traf, und zeichnete in der Nacht vom 22. auf den 23. September erneut viele ähnliche Entladungen in großer Höhe über Gewitterwolken auf Video auf. Interessanterweise führte er diese Forschung offiziell als Amateur durch, da sie in keinem wissenschaftlichen Programm enthalten war. Aber Winkler war natürlich kein Amateur und handelte entschlossen wie ein Mann, der sich seiner Mission klar bewusst war. Aus seiner früheren Arbeit bei der NASA hat er eine fehlerhafte Hochgeschwindigkeits-Videokamera. Er überredete den Dekan der Physikabteilung der Universität von Minnesota, 7.000 US-Dollar für die Reparatur bereitzustellen, und installierte Geräte zur Analyse der Aufzeichnungen in seinem Haus.
Das einzigartige Filmmaterial der riesigen Entladungen erschreckte Winkler ebenso wie es ihn glücklich machte. Was ist, wenn eine solche Entladung das Flugzeug trifft? Und der Wissenschaftler wandte sich mit einer Warnung an seine Kollegen von der NASA. Sie begannen zu zweifeln. Was sind die Entladungen? Aus Respekt vor der Vergangenheit verpflichtete sich Winkler jedoch, die während der Flüge der Raumfähren gemachten Aufzeichnungen zu überprüfen. Und sie trauten ihren Augen nicht: Mehr als ein Dutzend solcher Entladungen wurden in den Filmen gefunden. Winkler hat es richtig gemacht. Als Fachmann brachte er die Angelegenheit zu ihrem logischen Abschluss - Veröffentlichungen in den führenden wissenschaftlichen Zeitschriften Geophysical Research Letters (1989) und Science (1990).
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Die Artikel schockierten buchstäblich Spezialisten in den Bereichen Astronomie, atmosphärische Elektrizität, Funkphysik, atmosphärische Akustik, Gasentladungsphysik und Luft- und Raumfahrtsicherheit. Nach diesen Veröffentlichungen konnte die NASA die mögliche Bedrohung für Raumfahrzeuge nicht mehr abschütteln und begann mit einer detaillierten Untersuchung der Entladungen in großer Höhe. Während der dreijährigen Vorbereitungszeit für diese Arbeit wurde Winkler wiederholt konsultiert, jedoch nie in das Programm selbst aufgenommen.
In der ersten Nacht der Beobachtungen, dem 7. Juli 1993, in einer wissenschaftlichen Station in der Nähe von Fort Collins (Colorado), registrierten überraschte Forscher mehr als 240 Einleitungen in großer Höhe. In der nächsten Nacht wurde ein spezielles Fluglabor an Bord des DC-8-Flugzeugs eingesetzt, um einen Fehler bei der Höhenbestimmung auszuschließen. Die Ergebnisse übertrafen alle Erwartungen: In Höhen von mindestens 50-60 Kilometern wurden riesige Fackeln festgestellt. Zu Ehren des unruhigen Pak aus Shakespeares "Ein Sommernachtstraum" erhielten sie den Namen Sprites, also Luftgeister. Natürlich stellte sich die Frage: Warum wussten sie vorher nichts über diese Einleitungen, wenn jede mächtige Gewitterfront Dutzende von ihnen erzeugt?
Die Analyse der Literatur hat gezeigt, dass viele Menschen über Hunderte von Jahren ungewöhnliche und sehr große Entladungen über den Wolken gesehen haben. Sie wurden Raketenblitze, wolkige stratosphärische Entladungen, aufsteigende Blitze und sogar Blitze von Wolke zu Weltraum genannt. In Ermangelung zuverlässiger Beweise wurden seltsame Augenzeugenberichte einfach ignoriert. Sie haben sogar einen so bekannten und angesehenen Spezialisten auf dem Gebiet der atmosphärischen Elektrizität wie den Nobelpreisträger Charles Thomson Wilson beiseite geschoben, der 1956 in seinem Artikel über ein ähnliches Phänomen schrieb. Es bedurfte des Flairs, der Erfahrung, der Ausdauer und der Furchtlosigkeit von Professor John Winkler, so dass "dies nicht" sehr schnell zu "aber wer weiß das nicht" werden kann. In zahlreichen Videos im Internet können Sie diese Kategorien nun detailliert untersuchen.
John Winkler starb 2001. Er hat nicht mehr an Höhenlagen gearbeitet, obwohl es kaum zu glauben ist, dass er es nicht wollte - nach so und so viel Erfolg. Auf seine Veröffentlichung in Science wurde regelmäßig Bezug genommen, aber anscheinend nicht in die Projekte aufgenommen. Der Nachruf seiner Kollegen zeigt Ressentiments gegen ihn. Aber vergeblich. Jeden Tag werden John Randolph Winkler rote und lila Sprites begrüßt, weil er den Menschen beigebracht hat, sie zu sehen.
Bald entdeckten die Forscher eine ganze Lichtshow, die sich in der oberen Atmosphäre über den Bleigewittern abspielte. Die Hauptakteure darin (in der Reihenfolge von unten nach oben): blaue Jets, die manchmal als Gnome bezeichnet werden (da sie sich unten befinden), in der Mitte sind rot-lila Sprites und Halos, und über ihnen befinden sich rötliche Ringe - Elfen, die in der Höhe schweben. Aber natürlich dürfen wir den Regisseur hinter der grandiosen Aufführung nicht vergessen - das sind die bekannten Gewitterwolken und Blitze. Eigentlich war die Truppe vor nicht allzu langer Zeit zahlreicher, aber die Forscher wurden nach und nach Geister, Quallen (einige Arten von Sprites) und andere sonore "Lebewesen" los.
Es sollte beachtet werden, dass Übungen in schönen Namen nicht nur im Stil des "Physik-Scherzes" Spaß machen, wie es auf den ersten Blick scheinen mag. Wie im Showbusiness spielt in der Wissenschaft die Förderung von Ideen und Trends eine wichtige Rolle, denn hier und da wird um Ressourcen gekämpft. Das Gebiet der Wissenschaft, das von der Öffentlichkeit gehört wird, wird normalerweise großzügiger finanziert. Denken Sie zumindest an die Nanotechnologie, von der alle sprechen, aber niemand kann wirklich erklären, was es ist und warum so viel Geld dorthin geleitet werden muss. Aber lassen Sie uns zu unserer Leistung zurückkehren und alle dem respektabelsten Publikum genauer vorstellen.
Elfen sind die kurzlebigsten und kurzlebigsten in der Höhenfamilie. Diese leuchtend rotvioletten Ringe erscheinen in der unteren Ionosphäre in Höhen von 80 bis 100 Kilometern. In weniger als einer Millisekunde dehnt sich das in der Mitte erscheinende Leuchten auf 300 bis 400 Kilometer aus und verschwindet. Die Elfen wurden nicht im Detail untersucht, wahrscheinlich weil sie nicht viel Kontroversen hervorrufen und keine ernsthaften Fortschritte beim Verständnis der Natur der atmosphärischen Entladungen versprechen. Sie werden drei Zehntausendstelsekunden (300 Mikrosekunden) geboren, nachdem ein starker Blitz von einer Gewitterwolke in den Boden geschlagen hat. Sein Stamm wird zu einer "Sendeantenne", von der aus eine starke sphärische elektromagnetische Welle mit sehr niedriger Frequenz mit Lichtgeschwindigkeit beginnt. In 300 Mikrosekunden erreicht es gerade eine Höhe von 100 Kilometern, wo es das rotviolette Leuchten von Stickstoffmolekülen anregt. Je weiter die Welle gehtJe breiter der Ring wird, bis er von der Quelle verschwindet.
Blaue Jets oder Gnome sind die mysteriösesten, seltensten und am schwierigsten zu beobachtenden Kreaturen im Ensemble neuer Höhenentladungen. Der Gnom sieht aus wie ein blauer schmaler umgekehrter Kegel, der am oberen Rand einer Gewitterwolke beginnt und manchmal eine Höhe von 40 Kilometern erreicht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Blue Jets beträgt 10 bis 100 km / s. Das Seltsamste ist jedoch, dass ihr Aussehen nicht immer mit sichtbaren Blitzeinschlägen verbunden ist. In den Höhen, aus denen die Jets abgefeuert werden, ist der Druck immer noch relativ hoch, und es ist nicht überraschend, dass sie blau sind. So leuchten Blitze, Koronaentladungen an Drähten, Funkenentladungen und sogar Hochtemperaturflammen. Dies ist auch das Leuchten von Stickstoffmolekülen, jedoch nicht im rotvioletten Streifen, wie im Fall von Elfen, sondern in ultraviolettblau.
Neben gewöhnlichen Jets lösen sich manchmal sogenannte blaue Starter vom oberen Rand der Wolke auf. Sie steigen nicht über 30 Kilometer. Einige Wissenschaftler glauben, dass dies nur eine Blitzentladung ist, die nach oben in einen Bereich gerichtet ist, in dem der Druck schnell abfällt, und daher dehnen sich die Starter viel stärker aus als herkömmliche Blitze. Andere betrachten sie als unterentwickelte Jets.
Die interessanteste Art von blauen Jets wurden jedoch als Riesenjets bezeichnet. Sie beginnen nicht weit von der Erdoberfläche entfernt und erreichen eine Höhe von 90 Kilometern. Das Interesse der Geophysiker an Riesenjets, die ihrer Größe entsprechen, da diese Entladungen einen "Nonstop-Flug" von der Troposphäre direkt in die Ionosphäre ermöglichen. Sie sind jedoch äußerst selten und wurden nicht mehr als ein Dutzend Mal zuverlässig aufgezeichnet. Gleichzeitig leben sie für den Bruchteil einer Sekunde, wodurch sie im Prinzip mit bloßem Auge wahrgenommen werden können.
Die Jet-Theorie macht nur ihre ersten Schritte. Es ist noch nicht einmal klar, wie dieses Phänomen aussieht. Wenn sie sich in der Entwicklungsphase naturgemäß in der Nähe des leuchtenden Blitzkanals befinden, wird klar, warum die Geburt eines Jets nicht mit einem Blitz verbunden ist: Es ist selbst ein Blitz. Aber vielleicht ist eine nähere Analogie die Entladung innerhalb einer Gewitterwolke, die den Blitzkanal mit Energie versorgt. In diesem Fall wird es noch schwieriger sein, die Natur der Jets zu verstehen, da sich die Theorie solcher Entladungen in einem frühen Entwicklungsstadium befindet.
Die meisten Beobachtungen und Veröffentlichungen sind roten Sprites gewidmet. Dies sind echte Popstars unter den atmosphärischen Abflüssen in großer Höhe. Manchmal scheint das Interesse an ihnen genauso überhitzt zu sein wie an populären Sängern. Warum haben sie solche Aufmerksamkeit verdient? Der Punkt ist wahrscheinlich, dass sie leicht zu beobachten sind (wenn Sie natürlich wissen, dass es möglich ist). Täglich werden auf der Welt Zehntausende von Sprites geboren, und es ist erstaunlich, dass sie so lange nicht mehr bemerkt wurden.
Sprites sind sehr helle volumetrische Fackeln, die in einer Höhe von 70 bis 90 Kilometern auftreten und 30 bis 40 Kilometer und manchmal mehr absteigen. Im oberen Teil erreicht ihre Breite manchmal mehrere zehn Kilometer. Dies sind die voluminösesten Einleitungen in großer Höhe. Sprites sind wie Elfen eng mit Blitzen verwandt, aber nicht alle. Die meisten Blitze treffen vom negativ geladenen Teil der Wolke (im Durchschnitt ist sie näher am Boden). 10% der Blitze, die auf den Boden treffen, beginnen jedoch im Bereich einer positiven Ladung, und da der Hauptbereich des Ortes einer positiven Ladung größer ist als der eines negativen, ist ein positiver Blitz stärker. Es wird angenommen, dass solch starke Entladungen Sprites erzeugen, die in der Mesosphäre etwa eine Hundertstelsekunde nach einer Entladung von Wolke zu Erde blitzen.
Die rot-lila Farbe von Sprites ist wie die von Elfen mit Luftstickstoff verbunden. Der obere Teil des Sprites leuchtet gleichmäßig, aber unter 70 Kilometern scheint die Entladung aus Hunderten von Metern dicken Kanälen gewebt zu sein. Ihre Struktur ist das interessanteste Merkmal von Sprites, die untersucht werden müssen. Kanäle werden in Analogie zu den bekannten Nadelentladungen an scharfen Kanten von Objekten in Gewittern und an Hochspannungsdrähten als Streamer bezeichnet. Die Dicke der terrestrischen Luftschlangen liegt zwar in der Größenordnung eines Millimeters, und in Sprites sind sie 100.000-mal größer. Es ist noch nicht klar, warum der Durchmesser von Luftschlangen so stark zunimmt - viel schneller, als der Luftdruck mit der Höhe abnimmt.
Der Heiligenschein ist ein gleichmäßiges rotviolettes Leuchten in einer Höhe von etwa 80 Kilometern. Der Grund für die Entladung ist anscheinend der gleiche wie für die Oberseite der Sprites, aber im Gegensatz zu ihnen erscheint der Lichthof immer direkt über dem Blitz. Sprites nehmen sich die Freiheit, irgendwo auf der Seite zu sein. Es scheint einen Zusammenhang zwischen Sprites und Halos zu geben, aber der Mechanismus ist noch unklar. Sie erscheinen manchmal zusammen, manchmal getrennt. Vielleicht ist der Lichthof der obere Teil der Sprites, wenn die elektrische Feldstärke nicht ausreichte, um die Entladung in die dichtere untere Luft auszubreiten.
Laut der geografischen Karte der Gewitter haben Bewohner der äquatorialen und tropischen Zonen der Erde die größten Chancen, Sprites zu sehen. In diesem Gebiet treten bis zu 78% aller Gewitter auf. Einwohner Russlands können auch Sprites beobachten. Der Höhepunkt der Gewitter in unserem Land fällt von Juli bis August. Zu dieser Zeit können Astronomieliebhaber ein so schönes Phänomen wie Sprites sehen.
Laut dem American Sprite and Giant Jet Observing Handbook muss sich der Beobachter ungefähr 100 Kilometer vom Epizentrum des Gewitters entfernt befinden, um die Sprites zu sehen. Um die Jets beobachten zu können, sollte er seine Optik auf 30-35 Grad in Richtung Gewitter richten. Dann kann er einen Teil der Ionosphäre in einer Höhe von bis zu 50 Kilometern beobachten. In diesem Gebiet treten am häufigsten Jets auf. Um die Sprites zu beobachten, sollten Sie das Fernglas in einem Winkel von 45-50 Grad ausrichten, der dem Bereich des Himmels in einer Höhe von etwa 80 km entspricht - dem Ort, an dem Sprites geboren werden.
Für eine bessere und detailliertere Untersuchung von Sprites, Jets und noch mehr Elfen ist es für den Betrachter besser, spezielle Kinogeräte zu verwenden, die eine detaillierte Aufzeichnung von Himmelsfackeln ermöglichen. Die beste Zeit, um in Russland nach Sprites zu suchen, ist von Mitte Juli bis Mitte August.
Sprites kommen wie Blitze nicht nur auf der Erde vor, sondern auch auf anderen Planeten des Sonnensystems. Vermutlich waren es die Sprites, die von Weltraumforschungsfahrzeugen während schwerer Stürme auf Venus, Saturn und Jupiter aufgezeichnet wurden.
Sprites und Elfen treten in so großen Höhen aufgrund der starken Ionisierung der Luft durch galaktischen Staub auf. In einer Höhe von über 80 Kilometern ist die Leitfähigkeit des Stroms zehn Milliarden Mal höher als in den Oberflächenschichten der Atmosphäre.
Der Name "Sprites" leitet sich vom Namen der Waldgeister ab, auf die in William Shakespeares Komödie "Ein Sommernachtstraum" Bezug genommen wird.
Sprites waren der Menschheit lange vor 1989 bekannt. Die Menschen haben verschiedene Hypothesen über die Natur dieses Phänomens aufgestellt, einschließlich der Tatsache, dass Lichtblitze fremde Raumschiffe sind. Erst nachdem John Winkler in der Lage war, Sprites in der Ionosphäre einzufangen, konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sie elektrischen Ursprungs sind.
Die Farbe von Sprites, Jets und Elfen variiert mit der Höhe, in der sie erscheinen. Tatsache ist, dass mehr Luft in der erdnahen Atmosphäre konzentriert ist, während in den oberen Schichten der Ionosphäre eine hohe Stickstoffkonzentration beobachtet wird. Luft brennt mit blauer und weißer Flamme, stickstoffrot. Aus diesem Grund sind die Jets unter den Sprites überwiegend blau, während die Sprites selbst und höher die Elfen rötlich sind.
Und hier ist ein Video eines sehr seltenen Phänomens - aufsteigender Blitz: