В поисках "молний наоборот": космическая охота за спрайтами, эльфами и джетами

  • Мэри Холтон
  • Би-би-си
Облако, освещенное молнией. Кадры МКС

Автор фото, ESA/NASA

Подпись к фото,

МКС делает уникальные снимки природных явлений

Грозы с молниями - одно из наиболее зрелищных явлений природы. Однако с поверхности Земли мы можем видеть лишь "верхушку айсберга".

В верхних слоях атмосферы происходят невероятные вещи. Именно их должна изучить новая космическая обсерватория.

В понедельник на Международную космическую станцию (МКС) отправилось оборудование для изучения влияния грозовых штормов на земную атмосферу, так называемый монитор исследования атмосферно-космических взаимодействий (ASIM).

  • 2 апреля ракета-носитель Falcon 9 доставила на МКС беспилотник Dragon с 2,6 тоннами груза на борту, в числе которого - провиант для космонавтов и новая техника.

Небесная лаборатория

Находясь на высоте всего 400 км над Землей, МКС предоставляет отличную возможность увидеть изменения в погодных системах.

Система ASIM должна заработать на борту станции уже в этом месяце.

Подпись к видео,

Грозы с молниями, снятые НАСА с МКС

В частности, на станции часто наблюдают электрические явления в атмосфере, возникающие во время грозы.

Но когда появляется молния, над облаками происходят совершенно иные процессы.

Так называемые переходные люминесцентные явления (Transient Luminous Events, TLEs) ученые обнаружили в 1989 году, совершенно случайно.

Американский профессор из Университета Миннесоты Джон Рэндольф Уинклер в преддверии запуска ракеты проверял работу телекамеры. Неожиданно ученый заметил, что два кадра запечатлели яркие полоски света, находившиеся над отдаленным от них штормовым облаком.

Автор фото, OTD/LIS, NASA Marshall Space Flight Center

Подпись к фото,

Молнии чаще случаются над сушей. Наиболее распространены они в Центральной Африке, Южной Америке и Азии

Это открытие потрясло ученых, в том числе ведущего исследователя команды ASIM Торстена Нойберта, физика из Датского технического университета.

"Это всех нас очень удивило. Как это возможно, что такое существует, а мы об этом до сих пор не знали? Похоже, это явление известно пилотам - есть несколько рассказов очевидцев [подобных процессов - Ред.]", - прокомментировал Нойберт.

Добрую половину века до снимков Уинклера те, кто замечал подобные вспышки (переходные люминесцентные явления (TLE), обычно описывали их как восходящие лучи, или "молнии наоборот" - направленные не вниз, к Земле, а вверх.

Из-за их быстротечной природы и загадочности эти явления назвали "спрайтами" и "эльфами".

  • Название "спрайт" произошло от английского sprite, то есть "фея", "эльф". С точки зрения физики, это вид электрических разрядов холодной плазмы, бьющей в мезосфере и термосфере. В русскоязычной литературе их иногда также называют "призраками" и "красными призраками" - Ред.

Однако, несмотря на уменьшительно-ласкательное название, которым прозвали феномен, на самом деле вспышки эти совсем не маленькие: они простираются в атмосфере на десятки километров.

Красные призраки, эльфы и голубые струи

Итак, как же образуются эти явления?

"Они несколько отличаются от молний, - рассказывает Би-би-си физик Торстен Нойберт. - Это пульсация электрического поля, движущаяся вверх. В месте, где атмосфера становится тонкой, в поле может образоваться электрический разряд. В таком случае мы говорим о спрайте".

Спрайты, или красные призраки, возникают через миллисекунды после мощного удара молнии.

Эльфы, в свою очередь, образуются вследствие уже не электрической, а электромагнитной пульсации, вызванной ударом молнии. Мгновенный, подобный ауре, ареол эльфа невозможно заметить невооруженным глазом. Возникая в ионосфере, он длится менее одной миллисекунды.

Но, несмотря на свою неуловимость, природу эльфов удалось на удивление хорошо изучить, считает Мартин Фуллекруг из Университета Бата в Великобритании.

Это наиболее распространённые вспышки TLE, возникающие, по мнению ученых, вдвое чаще, чем спрайты.

Автор фото, Jason Ahrns

Подпись к фото,

Спрайты, или красные призраки, могут длиться несколько миллисекунд

Наименее изучены так называемые голубые струи (англ. Blue jets - Ред), или джеты. Это восходящие электрические разряды, начинающиеся у вершин облаков.

"Джеты не слишком хорошо изучены, поскольку они едва заметны. Чаще всего они голубого цвета. Кроме того, они не всегда связаны с молнией. Они появляются неожиданно и очень загадочны", - уточняет Фуллекруг.

Эльфов обычно замечают над теплыми водами океанов, красные призраки (или спрайты) чаще появляются над сушей.

Лучше всего их наблюдать из Северной Америки, Демократической Республики Конго и Южной Африки.

Но их можно видеть и из других мест.

Обычная летняя гроза в Великобритании, как правило, простирается над территорией протяженностью около 10 километров. Красные призраки возникают над мезомасштабными конвективными системами (МКС) - штормовыми облаками, покрывающими в 10 раз большее расстояние.

  • Мезомасштабными конвективными системами (или комплексами) метеорологи называют большие скопления кучеряво-дождевых облаков с почти круговой формой, возникающие в тропиках и в умеренных широтах. - Ред.

"В Британии время от времени тоже случаются такие грозы, - уточняет доктор Фуллекруг. - Сейчас мы исследуем одну из них, произошедшую в мае прошлого года. Во время нее образовалась прекрасная череда спрайтов" [над графством Корнуолл на юго-западе Англии - Ред.].

Тогда красных призраков удалось запечатлеть наблюдателям метеоритов, камеры которых были настроены таким образом, чтобы можно было видеть след падающих звезд.

Космические охотники за грозами

Главная задача ASIM - изучить физику переходных люминесцентных явлений (TLE) и свойства гроз, которые их порождают.

В составе спецоборудования - две камеры, способные делать 12 фотографий в секунду, рентген и детектор гамма-излучений.

Эта техника позволит международной команде ученых, для многих из которых это исследование является кульминацией десятков лет работы, определить, где именно в облаках возникают красные призраки и голубые стрелы.

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Спрайты возникают над вершинами облаков

Благодаря помощи Европейского космического агентства, миссия ASIM запланирована как минимум на два года.

За это время ученые надеются исследовать по одной вспышке TLE в день, хотя в мире они происходят, по существующим оценкам, ежеминутно.

Для физика Нойберта это время будет невероятно захватывающим.

"Мы ведь толком не знаем, как устроена молния. Она возникает так быстро, и так опасна… Добраться до физических процессов, которые происходят внутри нее, довольно сложно", - говорит ученый.

В тонких верхних слоях атмосферы вспышки TLE шире, и лучше поддаются исследованиям.

При этом сам Нойберт признается: "Для меня это окно, позволяющее заглянуть внутрь молнии".