Sprites: övre atmosfäriska blixtar

Åskväder fyller himlen med lamporovan såväl som under molnen. Eftersom 1990 det har varit en explosion av intresse för dessa glöd och blinkar på den höga himlen. De har nyckfulla namn som sprites, alver, kablar och mer.

Dessa övergående lysande händelser eller TLE liknar blixtnedslag. Precis som den fasta jorden leder elektricitet och lockar blixtar, så gör jonosfären, skiktet ovanför stratosfären. Ett stort blixtnedslag lanserar en stigande elektromagnetisk puls (EMP) som väcker den tunna luften tills den avger ljus.

Den vanligaste TLE är spriten - en blixt av rött ljus direkt över stort åska. Sprites inträffar en bråkdel av en sekund efter starka blixtnedslag, svävande uppåt till en höjd av nästan 100 kilometer. David Sentman från University of Alaska i Fairbanks utsåg dem till sprites som ett sätt att prata om dem utan att förutsätta deras sak och mekanism.

Sprites är rikligt i det amerikanska Mellanvästern, där stora åskväder är vanliga, men de rapporteras på många andra platser. Sprite Watchers hemsida ger råd om hur man letar efter dem.

Spriter i detalj är buntar med lysande slingor som sprids utåt över och under en central ljus boll. Enkla kallas morotsprites. Stora spritkluster kan likna maneter eller änglar. Grupper av "dansande" spriter visas ibland. Ett galleri med sprites publicerat i Fysik idag ger en bra bild av dessa blinkande varelser.

Blåstrålar är kottar av svagt blått ljus som börjar cirka 15 km höjd och stiger till cirka 45 km som en snabb puff av rök. De är ganska sällsynta. De kan vara förknippade med tunga hagelformar i molnen under dem.

Blåstrålar är svåra att studera från marken och befinner sig i lägre höjder än spriter. Blått ljus reser inte heller luften såväl som rött, och höghastighetskameror är mindre känsliga för blått. Blåstrålar studeras bäst från flygplan, men dessa flygningar är kostsamma. Så vi måste vänta med att lära oss mer om blåstrålar.

Blå förrätter är sällsynta låghöjdblinkar och prickar som inte växer till blåstrålar. Först sett 1994 och beskrevs nästa år kan startarna vara relaterade till samma förhållanden som utlöser blåstrålar.

Elverna är extremt korta skivor av svagt ljus (och mycket lågfrekvent radioutsläpp) som uppträder på cirka 100 km. Ibland visas de med spriter, men vanligtvis inte. Elvor förutspåddes innan de först observerades 1994. Namnet står för "Emission of Light and VLF from EMP Sources."

Sprite halo är ljusskivor, som alver, men är mindre och lägre, börjar på cirka 85 km och rör sig ner till 70 km. De varar ungefär ett millisekund och följs av spriter, som verkar växa direkt från deras diskar. Sprite-halor tros vara ett inledande skede av spriter.

Troll (för kortvarig röd optisk ljuslinje) inträffar efter en särskilt stark sprite, nere i de lägsta slingorna nära molntopparna. Tidiga inspelningar visade dem som röda fläckar med svaga röda svansar, stigande ungefär som blå strålar. Snabbare kameror visar att troll är en snabb serie av händelser. Varje händelse börjar med en röd glöd som bildas i en sprite rank, och sedan "tappar" nedåt. Varje följande händelse börjar högre, så att serien ser ut som en uppåtriktad suddighet i långsammare videor. Detta är ett typiskt mönster i vetenskapen: Att titta på samma gamla sak med bättre instrument avslöjar alltid något nytt och oväntat.

Gnomes är små, mycket korta vita ljusspikar som pekar uppåt från toppen av ett stort åskväder mothållstoppen, speciellt "överskottskupolen" orsakade då starka uppdateringar pressar stigande fuktig luft något ovanför de städ. De verkar ungefär 150 meter breda och ungefär en kilometer höga, och de håller några mikrosekunder.

Pixies är så små att de framträder som punkter, vilket gör dem mindre än 100 m över. I videon som först dokumenterade dem verkar de spridda över överskottskupolen och blinkar till synes slumpmässigt. Pixies och nissar verkar vara en ren vit färg, som vanliga blixtar, och de åtföljer inte blixtnedslag.

Dessa händelser beskrevs först som "en hybrid av blå jet och sprite. Den övre delen liknar en sprite medan den nedre halvan är jetliknande. Dessa händelser sträcker sig visuellt från det lägre atmosfär till E-skiktets jonosfär vid 100 km. Den lysande varaktigheten för dessa händelser sträcker sig mellan 200 ms till 400 ms, vilket är mycket längre än för vanliga spriter. "

PS: TLE är ytterligare en ledtråd till den övre atmosfärens beteende och dess roll i den globala elektriska kretsen. En nylig utgåva av nyhetsbrevet om atmosfärisk elektricitet presenterar ett förbluffande utbud av forskning inom detta område. Tillståndet för den globala kretsen är till exempel ett lovande sätt att övervaka den globala uppvärmningen.

Studiet av ljus i den övre atmosfären driver vetenskapens kapacitet, särskilt höghastighetsvideo. Det tar också tur och vänner på höga platser - som observatorier för bergstoppar.

Särskilda visningsplatser behövs för att se spriter, eftersom de alltid gömmer sig ovanför åskväder. På Yucca Ridge Field Station, som drivs av FMA Research i norra Colorado, kan sprite-tittare se blixt från stormar 1 000 kilometer bort över Great Plains. Ett liknande observatorium finns i Pyrenéerna i södra Frankrike. Andra forskare tar stormhopparplan i de turbulenta natthimlen för att fånga de svårfångade blixtarna.

Den andra stora observationsplattformen är i omloppsbana. Viktig forskning har gjorts från rymdfärjan, inklusive den ödesdigra flygningen från Columbia som kraschade under återinträde 2003. Och Taiwans andra satellit, som sjösattes 2004, ägnas åt detta fält.

Jakten på sprites och deras syskon har också varit beroende av lyckön. Sprites spelades in första gången 1989 när vissa forskare vid University of Minnesota, som väntade på att filma en raketutskott, riktade kameran mot ett avlägset åskväder. En av dem kontrollerade ledningarna och fixade en lös sladd. Minuter senare fick bandet en blixt så kort att det bara innehöll två bilder. Dessa två videoramar lanserade en helt ny gren av jordvetenskap.

Den 22 juli 2000 var Walter Lyons vid Yucca Ridge och tog en video av ett enormt "mesoscale" stormkomplex när en mindre isolerad "supercell" åskväder drev norrut och blockerade utsikten. Superceller - de typiska städformade åskväderna med cumulonimbus - producerar inte spriter, men Lyons låter kamerorna rulla. Till hans överraskning visade inspelningarna två nya slags ljus högst upp på supercellen: nisser och pixies.

Lyons letar fortfarande efter nya lampor. Den vetenskapliga litteraturen har ögonvittensbeskrivningar av ljus i den höga atmosfären från mer än ett sekel. De flesta motsvarar sprites och blåstrålar. Men en främmande handfull beskriver ljusa vita streck som stiger rakt och utan grenar från åskväder. Några foton ger den närmare detaljerna att topparna på dessa lampor skuggar till blått.

En dag kommer vi att fånga dessa på band, analysera deras spektra och ge dem ett namn. Som spriter, alver och troll har de alltid varit här, men vi har aldrig haft ögon att se dem med.

De årliga mötena i december i American Geophysical Union har varit återföreningar av det nära-stickade sprite-samhället sedan 1994. Vid sessionen 2001 pausade gruppen som var närvarande för att komma ihåg sin sena vän och mentor John Winckler (1917–2001), geofysiker och samlare av udda blixthistorier som pekade kameran mot Minnesota åskväder 1989. Samtidigt var samtal från en europeisk-afrikansk grupp och ett sprittjaktlag från Taiwan bevis på fältets tillväxt.

Varje år gör framsteg i studiet av sprites och deras släktingar. Vid årtusenskiftet lärde vi sig detta:

• David Sentman, mannen som gav sprites sitt namn, dokumenterade gravitationvågor i den höga atmosfären orsakad av sprites. I själva verket "sprutar" energi i jonosfären som en simmare som hoppar in i en pool. Därmed går de samman med meteorer, utbrott, åskväder och jordbävningar som orsaker till jonosfäriska tyngdvågor.
• Kampanjen STEPS 2000 registrerade sprites när andra observatörer upptäckte distinkta infrasound-signaler - jag skulle kalla dessa "sprite thunder." Walter Lyons förberedde ett PDF-dokument om ämnet.
• De första spriterna observerades i Brasilien, en stor lekplats för åskväder, med hjälp av instrumenterade ballonger och flygplan.
• Tohoku-universitetets sprittgrupp (uppenbarligen avstängd från och med 2009) letade efter spriter på vintern och övervakade stormen i kyla i havet nära Japan. Denna meteorologiska miljö skiljer sig mycket från Nordamerikas stora slättar, men ändå förekommer det även spriter där.
• Och en grupp vid National Cheng Kung University i Taiwan observerar såväl Kina som Stilla havet. Det var de som upptäckte gigantiska blåstrålar.

Jag försöker hålla koll på detta fält varje år och jag har rapporterat om nya resultat från sessionerna 2003 och 2004. Det finns också mer att se i sprites kategori.

PS: Denna atmosfäriska forskning är också knuten till den pågående studien av vanlig blixt. Nya nätverk observerar blixt i underbar detalj och ger data som kan ge insikt i krafterna som orsakar spriter. För alla som någonsin har sett värmeblixar dolda djupt i de höga molnen, är de resulterande bilderna en magisk glimt på något som aldrig sett förut.