Przed rokiem opublikowałem notkę na temat burz, która cieszyła się ogromnym powodzeniem. Zachęciło mnie to do poszerzenia tego tematu, ale utrzymując narrację zrozumiałą nawet dla tych, co nie przepadali za fizyką w szkole. Postaram się też już dokładnie opowiedzieć co wydarzyło się przed rokiem na Giewoncie podczas tamtego feralnego sierpniowego dnia.
Zatem całkiem nowa notka na temat czym jest zjawisko burzy...
Burzami interesuję się od 1987 roku. Wtedy podczas biwaku na wysokości ponad 5078 metrów, wyszedłem w środku nocy z namiotu. To, co zobaczyłem skłoniło mnie do poszukiwań odpowiedzi na pytanie, co tak naprawdę widziałem.
Była bezksiężycowa noc, nad moją głową błyszczały gwiazdy, bliskie niby na wyciągnięcie ręki. Nie było ani jednej chmurki. W pewnym momencie niebo zajarzyło się bezcieniowym światłem. Światło było delikatne, jakby zorzy polarnej, lecz krótkotrwałe. Po chwili zjawisko powtórzyło się, lecz światło nie było już jedynie niebieskie, a dała się zauważyć czerwona poświata. Stałem jak wryty i nie wracałem do namiotu przez dobrą godzinę, czekając na następne rozbłyski, które były znowu niebieskie. Zjawisko powtórzyło się kilka razy i fenomen zanikł. Opowiadałem o tym, co widziałem wielu wspinaczom i nikt nie potwierdził, że kiedyś spotkał się z podobnym fenomenem, a nawet niektórzy wybitni himalaiści kpili, że zapewne byłem niedotleniony.
Nie dawało mi to spokoju. Tamta himalajska noc skłoniła mnie do przeczytania całej meteorologicznej i burzowej literatury, jaką posiadały dwie duże biblioteki na południu Polski. Bez rezultatu. Zresztą nie było to nic dziwnego, bo wtedy zbiory najnowszej literatury naukowej w Polsce były nader skromne, jeśli nie zerowe. Nie wiedziałem jeszcze wtedy, że zjawisko, które obserwowałem zostanie opisane, sfotografowane i rozpoczną się nad nim badania jakieś 2 lata potem w Ameryce, a po wielu latach dowiem się, że w bardzo podobnych okolicznościach w 1754 roku zjawisko to obserwował w Europie niemiecki prawnik. Ale po kolei.
Burza, jako zjawisko meteorologiczne.
Burza jest gwałtownym zjawiskiem pogodowym generującym wiele zagrożeń takich jak: silne opady deszczu i czasami gradu; porywisty wiatr a nawet tornada; wyładowania atmosferyczne.
Burze zasadniczo dzielimy na:
- frontowe, czyli takie, które przemieszczają się na czole napływających mas powietrza. Tu najczęściej burze występują podczas przechodzenia frontów chłodnych i zokludowanych. Tego typu burze mogą przemieszczać się bardzo szybko i ich prędkość przemieszczania rzędu 40 – 60 km/h nie jest niczym wyjątkowym.
- termiczne, występujące lokalnie podczas upalnych dni i nocy. Prędkość przemieszczania takich burz jest zazwyczaj niewielka, bo ok. 15 km/h. Mogą być bardzo gwałtowne, ale zazwyczaj są krótkotrwałe i kończą się w momencie rozpadu chmury, z której powstały. Jednak takie burze w niektórych przypadkach mogą generować powstanie wielu komórek lub superkomórek burzowych, którym zazwyczaj towarzyszy bardzo gwałtowny opad, wiatr – a często tornada.
- orograficzne, czyli związane z lokalną morfologią terenową. Przykładowo masywami górskimi, dużymi miastami, obszarami o dużym kontraście termicznym. Takie burze często w tzw. sezonie występują niemal z regularnością zegarka po upalnym dniu nad niektórymi wielkimi aglomeracjami miejskimi. Zawsze mają charakter burz termicznych.
Chmurę burzową możemy bez trudu rozpoznać z daleka. To chmura o ogromnych rozmiarach pionowych, tzw. chmura wypiętrzona. Powstaje ona z rozwoju chmur typu Cumulus rosnących do Cumulus Congestus i ostatecznie do Cumulonimbus. Chmura Cumulonimbus w stanie „dojrzałym” posiada charakterystyczny kształt kowadła (Cumulonimbus incus). Te chmury potrafią rosnąć do wysokości ponad 10 kilometrów, ale w strefach podzwrotnikowych nawet do 20 km! Także w Polsce przemieszczające się chmury, szczególnie podczas frontów zokludowanych, osiągają wysokości większe niż 10 km.
Na rysunku poniżej widzicie trzy kształty Cumulonimbusów. A – ze słabo wykształconym kowadłem. B – z kowadłem równomiernie otaczającym jej szczyt. Tak chmura świadczy o małej prędkości wiatru i będzie przemieszczać się powoli. C – z silnie kierunkowo wykształconym i rozciągniętym kowadłem. Kowadło zazwyczaj (pomijam niektóry typy frontów) wskazuje kierunek przemieszczania się chmury. Tego typu chmury dają bardzo silne burze i przemieszczają się często bardzo szybko na czole frontów chłodnych.
W Cumulonimbusach mamy do czynienia z bardzo gwałtownymi zjawiskami, jakimi są prądy powietrza wznoszące i opadające. Prędkości wznoszenia są czasem bardzo duże rzędu 25 m/s, ale nie rzadko przekraczają 50 m/s! Podobnie jak i prędkości chłodnego powietrza opadającego.
Wznoszenie się ciepłych mas powietrza na tak duże wysokości jest możliwe jedynie dzięki zawartej w nim wilgoci. Normalnie ciepłe powietrze wznosząc się w atmosferze ochładza się, co prowadzi do zatrzymania jego wznoszenia. Woda dzięki dużej pojemności cieplnej w miarę wznoszenia z otaczającym powietrzem, oddaje do otoczenia ciepło w niej zgromadzone, podtrzymując tym samym proces wznoszenia się takiego prądu termicznego.
Warto też pamiętać, że ta niezwykła „duchota”, czyli ciepłe wilgotne powietrze podczas upału, może zapowiadać utworzenie się burzy termicznej i sprzyja nasileniu gwałtownych zjawisk podczas przejścia frontów chłodnych. Rozbudowana chmura Cumulonimbus zachowuje się jak odkurzacz, zasysając na swym czole wilgotne ciepłe powietrze w ogromnych ilościach. Tak, więc podczas burzy termicznej mamy często do czynienia z fenomenem mylącym niedoświadczonych turystów. Bo wiele kilometrów przed taką chmurą wiatr wieje na poziomie powierzchni ziemi w stronę chmury, czyli pozornie przemieszcza się ona pod wiatr. To mylące dla ignorantów zjawisko może nieść groźne konsekwencje. Sam widziałem jak ludzie ignorowali nadciągającą burzę mówiąc mi, kiedy ich ostrzegałem – przecież wiatr wieje w przeciwnym kierunku!
Na rysunku poniżej widzicie schemat chmury burzowej. Temperatury są orientacyjne i ich wartości mogą znacznie różnić się, podobnie jak wysokość, na której chmura się zaczyna – tzw. podstawa chmury i kończy tzw. szczyt. Ta ostatnia wartość waha się w zakresie 10 km na naszej szerokości geograficznej, do 20 km w tropikach! Podstawa zależnie od rodzaju burzy – termiczna czy frontowa – znajduje się w zakresie wysokości 100 – 2000 metrów.
Głównym zjawiskiem podczas burzy są wyładowania atmosferyczne, ich geneza będzie przedmiotem dalszych rozważań.
Oporność powietrza na przebicie elektryczne (udar) jest bardzo duża. Nawet różnica potencjałów rzędu 100000000 V (sto milionów Volt) nie wystarczyłaby do wytworzenia iskry elektrycznej o długości, jaką tworzy przeciętny piorun, a cóż dopiero rekordowe wyładowania. W jaki sposób, zatem możliwe jest zaistnienie takiego zjawiska jak wyładowania atmosferyczne?
W tym miejscu warto przypomnieć rekordowe zjawiska, jakie zaobserwowano na Ziemi. Najdłuższy obserwowany piorun miał 700 kilometrów! Ten piorun obserwowały z orbity urządzenia satelity meteorologicznego nad terytorium Brazylii 31 października 2018 roku. Najdłużej trwającym wyładowaniem zaś był piorun, który utrzymywał się przez prawie 17sekund, zaobserwowany w Argentynie 04 marca 2019 roku! Imponujące? Oczywiście i to jak.
Piorun, jako zjawisko wieloetapowe i kaskadowe.
Piorun posiada dwa zasadnicze etapy. Lidera i wyładowania głównego.
Lider to wyładowanie, które szuka najodpowiedniejszych warunków do otwarcia wyładowania głównego. Lider jest łatwo rozpoznawalny, bo wygląda jak gałęzie drzewa. Zależnie od tego, z jakiego typu wyładowaniem mamy do czynienia lider porusza się w dół – wtedy widzimy jak tworzy rozgałęzienia w stronę ziemi – lub w górę – wtedy wygląda jak wspomniane drzewo.
Lider, aby móc dokonać przebicia warstw powietrza wykorzystuje na końcach gałęzi zjawisko wyładowania koronowego, jonizującego bardzo krótki odcinek przed poruszającym się czołem każdej z gałązek lidera. Co ciekawsze każda z gałązek lidera porusza się krokowo w krokach od 3 metrów do 200 metrów zależnie od parametrów fizycznych panujących w masie przebijanego powietrza. Kroki wyznacza niemal z zegarmistrzowską precyzją i następują one w tempie jeden krok, co 10 mikrosekund.
Taki sposób poruszania się powoduje, że mało istotnym czynnikiem staje się grubość przebijanej warstwy powietrza, a decydującym ładunek elektryczny, jakim dysponuje chmura, bo zjawisko samo się napędza, pobierając prąd – ok. 100 Amperów - na czoło lidera przez tworzony kanał plazmowy. Lider osiąga, zatem prędkość efektywną 300 kilometrów na sekundę, czyli 1/1000 prędkości światła.
Kiedy jedna z gałęzi lidera osiągnie zwarcie z celem, jakim jest ziemia lub chmura, po najbardziej optymalnej z punktu widzenia własności fizycznych drodze, wyznaczonej przebiegiem gałęzi tego wyładowania, otwiera się we wstępnie zjonizowanym i utworzonym kanale wyładowanie główne.
Przepływa ono w tzw kanale plazmowym z ogromną już prędkością dochodzącą do 100 000 kilometrów na sekundę, co stanowi już imponującą wartość 1/3 prędkości światła! Kanał plazmowy ma przeciętnie średnicę ok. 2,5 centymetra i co ciekawe nie rozszerza się, a to dzięki polu magnetycznemu wytworzonemu przez ogromny prąd płynący tym kanałem. ( kanał może być wielokrotnie większej średnicy, bowiem te pomierzone średnice, to oczka siatek przepalonych przez wywołane sztucznie pioruny, dzięki pomocy wystrzelonych w chmurę burzową wraz z metalowym przewodem rakiet)
Jak taki kanał plazmowy utrzymuje swoją stabilność?
Łatwo to sobie wyobrazić. Spójrzcie na zdjęcie poniżej. To zasada prawej dłoni. Jeśli mój wyprostowany kciuk pokazuje kierunek przepływu prądu, to palce mojej ręki obejmujące taki przewodnik prądu pokazują kierunek linii sił pola magnetycznego, utworzonego przez przepływający prąd. Tak, więc im większy prąd przepływa kanałem tym większa siła pola magnetycznego zostaje wytworzona i utrzymuje go „w całości”, tak jak palce mojej dłoni ściskają trzymany przeze mnie pręt.
Na zdjęciu wykonanym w moim domowym laboratorium Widzicie wyładowanie koronowe, powstające w silnym polu elektrycznym. Charakterystyczne świecenie w świetle niebieskim i ultrafioletowym to plazma. Gdy podłączycie mikrofon czuły na ultradźwięki „usłyszycie” też, oglądając go na oscyloskopie, charakterystyczny dźwięk wydawany przez plazmę. Przez wiele lat podczas moich eksperymentów w ten właśnie akustyczny sposób wykrywaliśmy pojawienie się plazmy, było to wygodne i skuteczne. Charakterystyczne skwierczenie plazmy podczas wyładowania koronowego można też usłyszeć ludzkim uchem.
Plazma jest bardzo ciekawym stanem materii (tzw. czwarty stan), bo mamy tu do czynienia z „zupą”, niezłożoną ze stabilnych cząstek, ani atomów, ale z protonów i elektronów, czyli cząstek nieobojętnych elektrycznie i niosących ładunek dodatni lub ujemny. Z tego powodu silnie oddziałuje ona z polami – elektrycznym i magnetycznym.
Aby to pokazać, na drugim zdjęciu włączyłem dodatkowo silne pole magnetyczne i widzicie, w jaki sposób wpływa ono na plazmę wyładowania koronowego uginając jego przebieg wzdłuż linii pola. Plazma w kanale lidera i wyładowania głównego także podlega oddziaływaniu pola magnetycznego, o czym już wyżej pisałem. Ma ona jeszcze jedną ciekawą właściwość. Otóż opór plazmy spada wraz ze wzrostem jej temperatury.
Patrząc na zdjęcie pierwsze widzicie, że na potrzeby eksperymentu zastosowano specjalną, opracowaną przeze mnie, bardzo szeroką elektrodę symulującą czoło lidera. Każda gałąź lidera prawdziwego pioruna „pcha” przed sobą taką „miotłę” wyładowania koronowego. Może ona być ujemna lub dodatnia, w zależności od rodzaju pioruna.
Na zdjęciu poniżej widzicie zdjęcie z ultraszybkiej kamery, przefiltrowane dla uwypuklenia promieniowania niebieskiego i UV. Widać dwie gałęzie lidera wyładowania między chmurami, które oznaczyłem, jako gałąź a i b.
Zauważcie, że na końcu tych gałązek widoczna jest charakterystyczna „miotełka” wyładowania koronowego w kształcie przypominającym stożek. Drugie zdjęcie poniżej pokazuje kolejną fazę rozwoju tego lidera.
Zauważcie, że gałąź ta wypuściła odnogi i teraz pcha przed sobą sześć gałązek zakończonych koronowym stożkiem. Gałąź b pozostała niepodzielona.
Wyraźnie widoczne są różnice w jasności obu wcześniej podobnie jasnych gałęzi. Spowodowane jest to większym przepływem prądu w gałęzi a, spowodowanym przez 6 wyładowań koronowych na czołach rozdzielonej gałęzi. Większy prąd = większe wydzielanie ciepła i ogrzanie kanału plazmowego = jaśniejsze świecenie. Pamiętacie, co napisałem o oporze? Właśnie cieplejszy rdzeń kanału plazmowego, to mniejszy opór i tym kanale.
Klatki wybrałem i przefiltrowałem z filmu: https://www.youtube.com/watch?v=1leX66NWMu8
Natężenie pola elektrycznego na powierzchni ziemi podczas burzy osiąga wartości większe od 7000 Volt na metr. Podczas, gdy normalne natężenie pola podczas pogodnego dnia nie przekracza 100 Volt na metr.
Można powiedzieć, że te dwa zjawiska – pole elektryczne i wyładowania koronowe są decydujące dla możliwości powstania pioruna pokonującego warstwy powietrza grubsze niż teoretyczna jego w fachowym języku udarność, czyli odporność na przebicie elektryczne. Tylko dzięki temu i etapowym – krokowym posuwaniu się lidera może on przebijać warstwę powietrza o niewyobrażalnej długości, czyli nawet 700 kilometrów jak w podanym wyżej rekordowym piorunie.
Tu pora oby wspomnieć o przeciw-liderze, albo jak niektóre prace go nazywają liderze przechwytującym.
To wyładowanie wychodzi na spotkanie lidera głównego, kiedy ten zbliża się do ziemi. Dzięki dużemu natężeniu pola elektrycznego takie wyładowanie osiąga długość od 10 do 70 metrów. Dopiero, kiedy lider główny połączy się z przechwytującym, otwiera się kanał wyładowania głównego. Podczas niektórych obserwacji zauważono, że kiedy lider główny zbliża się do ziemi, z ziemi „podnosi” się kilka wyładowań przechwytujących, ale tylko jedno łączy się z liderem głównym, inne zanikają po osiągnięciu niewielkich rozmiarów.
Reasumując. Widzicie już jak kaskadowo narasta zjawisko pioruna.
Najpierw stosunkowo „zimna” plazma wyładowania koronowego toruje drogę przez gaz naszej atmosfery, za tym wyładowaniem ciągnie się wstępny kanał plazmowy lidera zasilający „koronowy palnik na jego czole” prądem o natężeniu 100 Amperów. Kiedy lider spotka się z wyładowaniem przechwytującym otwiera się kanał główny przewodząc ogromne prądy o natężeniu ponad 30 000 Amperów! Wielu fizyków nadało temu zjawisku nazwę lawiny elektronowej.
Kanał wyładowania głównego, to typowy kanał plazmowy, w którym płyną bardzo duże prądy chwilowe, a także prądy długotrwałe o dużo mniejszym natężeniu, nieprzekraczającym 200 Amperów. Długotrwałe oczywiście w stosunku do czasu trwania pioruna, bo trwają jedynie 100 milisekund. Takich wyładowań z „długotrwałym” przepływem jest od 30 - 50%. Pomimo relatywnie małego prądu – 200 A – są one bardzo niebezpieczne dla trafionych obiektów jak i śmiercionośne dla ludzi, co pod koniec notki dokładnie jeszcze wyjaśnię.
Jedynie podczas 20% piorunów zdarza się, że otwartym już kanałem głównym przepływa jedno wyładowanie. Zazwyczaj następuje kilka wyładowań, jedno po drugim w ramach tego samego pioruna i tym samym kanałem. Średnio na jeden piorun mamy 3-4 takich wyładowań. Zazwyczaj jedynie pierwsze osiąga maksymalne natężenie przepływającego prądu.
Zjawiska towarzyszące piorunowi.
Jak wcześniej już napisałem, kanał główny wyładowania osiąga temperaturę 30 000 stopni Celsiusa tworząc plazmę. Żadna molekuła związków chemicznych nie przetrwa takiej temperatury rozpadając się, a podczas procesu ochładzania tworząc nowe wiązania chemiczne. W ten sposób podczas wyładowania powstają:
Ozon – czyli trójatomowa cząsteczka tlenu. Ozon odpowiedzialny jest za ochronę naszej planety przed promieniowaniem ultrafioletowym. Jego największe stężenie w atmosferze jest na wysokości od 10 do 35 kilometrów. Jak widzicie dzięki burzom, możliwe jest życie na Ziemi takie jakie znamy czyli pod ochroną przed nadmiernym promieniowaniem słonecznym z zakresie ultrafioletu.
Tlenki azotu – jak pokazał amerykański eksperyment „DC3 – Experiment”, podczas burz, rocznie na Ziemi produkowane jest 5 000 000 (5 milionów) ton tlenków azotu. Dla porównania cały ruch lotniczy w ciągu roku wytwarza 1 000 000 (1 milion) ton tlenków azotu. Burze stanowią źródło 10% rocznej emisji tych związków na Ziemi. Oczywiście inne emisje to głównie emisje naturalne – jak te pochodzenia wulkanicznego. Tak, więc histeria wokół tlenków azotu rozpętana w ostatnich latach przez eko-terrorystów jest burzą w szklance wody, tym bardziej, że wielu lekarzy uważa, że człowiek, jako gatunek z tlenkami najpowszechniejszego w atmosferze pierwiastka, jakim jest Azot, miał do czynienia od początku swojej ewolucji i oczywiście nie są to żadne zabójcze dla niego gazy.
Inne związki chemiczne. Do ciekawostek należy produkcja kwasu azotowego podczas wyładowania elektrycznego.
Błysk światła – kanał plazmowy emituje światło w różnych zakresach fali. Na zdjęciach wykonanych superszybkimi kamerami, możemy obserwować na końcach lidera intensywnie niebieskie światło wyładowania koronowego, potem w zależności od rodzaju pioruna następuje wzrost intensywności świecenia samego lidera i po otwarciu kanału głównego ekstremalnie intensywne świecenie plazmy w nim zawartej. Kolor wyładowania jest zazwyczaj biały, ale zależy on od wielu czynników, takich jak ciśnienie, intensywność opadu, teren (przykładowo nad morzem w obecności cząstek soli morskiej w powietrzu sód nadaje pomarańczowy odcień wyładowaniom).
Grzmot – szybkie ogrzanie powietrza do bardzo wysokiej temperatury powoduje jego gwałtowne rozszerzenie i lokalny skok ciśnienia o wartość od 10 – 100 hPa. W ten sposób powstaje fala uderzeniowa, która w pobliżu rdzenia przemieszcza się z prędkością 10 razy większą niż prędkość dźwięku. Głośność grzmotu w pobliżu wyładowania osiąga wartość 130 dB! Co może prowadzić do poważnych uszkodzeń aparatu słuchu, a fala ciśnienia powodować uszkodzenia płuc w odległości do kilku metrów od centrum uderzenia.
Grzmot może być słyszalny zazwyczaj z odległości max. 25 kilometrów. Jest to spowodowane wieloma czynnikami. Po pierwsze ludzie nie słyszą ultra niskich zakresów częstotliwości grzmotu, które oczywiście możne wykryć ze znacznie większej odległości, oraz kulistym kształtem powierzchni ziemi. Czasem zdarza się, że nie jesteśmy w stanie usłyszeć grzmotu na odległość mniejszą niż 10 – 15 km, szczególnie, kiedy mamy do czynienia z nawałnicowym deszczem skutecznie pochłaniającym fale dźwiękowe. Tu ciekawostka – wodę stosuje się do tłumienia fal dźwiękowych na wyrzutniach rakietowych, aby nie dochodziło do uszkodzeń konstrukcji spowodowanych ciśnieniem akustycznym.
Impuls elektromagnetyczny – wytwarzany przez silne pole magnetyczne wokół kanału głównego. Szczególnie wyładowania wielokrotne wywołują silne wzrosty napięć w sieciach elektrycznych zwane przepięciami.
Błyski promieniowania Gamma – od pewnego czasu obserwuje się wytwarzanie przez burze błysków w zakresie twardego promieniowania Gamma. Jak do tej pory utworzono wiele hipotez ich powstawania, ale żadna z nich nie jest jeszcze do końca potwierdzona.
Burza, jako zjawisko kosmiczne.
Pamiętacie początek tej notki? Dziwne rozbłyski, które obserwowałem w Himalajach?
W 1960 roku piloci samolotów amerykańskich latających na Wietnamem zaczęli meldować o dziwnych rozbłyskach nad chmurami burzowymi, jakie dość często obserwowali. Nie spowodowało poruszenia wśród badaczy, bo nie upubliczniano tych meldunków. Dopiero 6 lipca 1989 roku w USA badacze Uniwersytetu of Minnesota sfotografowali to dziwne zjawisko. Od tego czasu wyładowania nad chmurą burzową zaprzątają umysły badaczy.
Po tych odkryciach naukowcy zaczynają poszukiwania w archiwach i okazuje się, że już w 1925 roku Charles Thomson Rees Wilson w swoim artykule postulował istnienie wyładowań nad chmurami burzowymi, skierowanych do górnych warstw ziemskiej atmosfery. Wilson to nie lada postać, bo fizyk jądrowy z ogromnymi osiągnięciami, powiedziałbym waga ciężka. Uhonorowany Nagrodą Nobla, twórca komory mgłowej uwidaczniającej tory, po jakich poruszają się cząsteczki atomowe. Zbierał dane i raporty pilotów obserwujących takie wyładowania podczas II wojny światowej i po wojnie. Mimo jego wysokiej pozycji, seria artykułów na ten temat, jakie napisał nie spotkała się z poważnym przyjęciem przez środowisko naukowe, które czasem wyszydzało nową pasję Wilsona, czyli poszukiwania dowodów na istnienie tych wyładowań. Nie było wtedy o takie dowody łatwo, bo sfotografowanie tego zjawiska zwykłym aparatem małoobrazkowym nie było możliwe.
Dopiero obserwacje wykonane z pokładu „Space Shuttle” podczas pierwszych misji ujawniły powszechność tych zjawisk. Zainspirowały one badaczy do obserwacji z powierzchni ziemi, skutkującymi pierwszymi zdjęciami tych fenomenów. Zapytacie, dlaczego dopiero z pokładu promów? Otóż promy kosmiczne były pierwszymi pojazdami w kosmosie posiadającymi bogate oszklenie kabiny załogi, pozwalające na dogodne wykonywanie zdjęć i obserwacje. Pierwsze zdjęcia sugerowały jedynie, że zjawisko istnieje, ale nie dawały podstaw do dokładnych analiz.
W roku 1990 rozpoczęto w USA systematyczne studia nad tym zjawiskiem. W czerwcu i lipcu 1994 roku Uniwersytet of Alaska rozpoczął przy pomocy dwóch specjalnie wyposażonych samolotów odrzutowych, latających na wysokościach 12,5 kilometrów, patrolowanie środkowo-zachodniej części USA. Samoloty wyposażono w najnowszą wtedy aparaturę wysokoczułych kamer i systemu GPS. Podczas misji napotkano wiele bardzo aktywnych elektrycznie burz. Najaktywniejsze z napotkanych dawały 200 – 300 wyładowań na minutę! Rezultaty tych misji były zachwycające. Zaobserwowano i pomierzono parametry nowego rodzaju wyładowań nad-chmurowych. Były to Blue Jets i Blue Starters.
Obserwacje zaczęto prowadzić na terenie całego świata, nie tylko z pokładu samolotów, ale też stacjonarnie z dużych odległości przy pomocy specjalnie przystosowanych teleskopów optycznych uzbrojonych w ultraczułe kamery. Takim miejscem były chociażby wyspy na Oceanie Indyjskim St. Denis Reunion Islands.
Obserwacje prowadzono też z kosmosu.
Zdjęcie wykonane z pokładu ISS. Archiwum NASA. Kto odnajdzie interesujące nas zjawiska?
W styczniu 2003 roku wystartował prom „Columbia” do misji STS – 107 na pokładzie, którego znajdował się izraelski astronauta Ilan Ramon. Jednym z jego zadań było obserwowanie i próba dokumentacji zjawisk występujących nad chmurami burzowymi. W Izraelu znajduje się czołowe na świecie centrum badań na burzami. Ramon wykonywał obserwacje do 01 lutego 2003 roku, kiedy zaplanowano powrót na Ziemię. Zgromadzone materiały nie były przesyłane telemetryczne w pełnej jakości i znajdowały się na pokładzie w postaci zapisanych nośników pamięci. Zły los sprawił, że podczas powrotu „Columbia” spłonęła w atmosferze wraz z całą siedmioosobową załogą. Był to też ogromny cios dla badań burz, bo utracono wszystkie materiały w wysokiej jakości.
Badacze na stacji kosmicznej ISS w ostatnich latach powoli uzupełniają dane dotyczące badań nad burzami.
Blue Jets i Blue Starters otwierają listę nowoodkrytych wyładowań nad chmurami burzowymi.
Pierwsze odkryte zostały niebieskie strumienie tryskające w górę niczym fontanny światła. Większość tych zjawisk obserwowano podczas wspomnianej już misji University of Alaska z odległości ok. 100 kilometrów. Nazwano je Blue Jet.
Blue Jety osiągają znaczne rozmiary i sięgają na wysokość 33 – 45 kilometrów! Sam Jet wspina się z prędkością 112 km/s i trwa ok. 200 - 300 milisekund. Ale ma mniejszego brata, nazwanego przez badaczy Blue Starter. Ten osiąga długość ok. 10 km nad chmurę i wspina się z prędkością 27 – 153 km/s na wysokość 25 km. Widoczny jest przez całe trzy sekundy.
Podczas misji na Oceanie Indyjskim, z St. Denis Reunion Island pomierzono dokładne rozmiary jednego z zarejestrowanych Blue Jetów. Możecie go zobaczyć na zdjęciu poniżej wykonanym przez zespół Wescott – Sentman – Osborn nad Oceanem Indyjskim. Widzicie skalę w kilometrach. Imponujące zjawisko? Bardzo.
Potem dysponowano już coraz czulszymi kamerami i opracowano nowe metody obserwacji. Już w 2012 roku grupa japońskich badaczy podczas letniej burzy średniej wielkości zaobserwowała nad Japonią tylko w ciągu 20 minut 17 Jetów i 43 Startery! Niektóre burze podczas czterogodzinnych obserwacji generowały 2800 wyładowań różnego typu!
Gigantic Jets
W roku 2001 uznano i udowodniono istnienie jeszcze większych wyładowań. To grupa Gigantic Jets, prawdziwe monstra sięgające jonosfery, pięćdziesięciokilometrowej, a nawet siedemdziesięciokilometrowej wysokości kolumny światła o kolorze niebieskim i od połowy w górę czerwonym. Tryskają na wysokość ponad 90 kilometrów z prędkością 2000 km/s i są widoczne przez prawie sekundę! Takich wyładowań nad Morzem Południowochińskim podczas obserwacji w 2002 zarejestrowano pięć w ciągu 12 minut.
Pierwsze Gigantic Jets zostały zaobserwowane nad Puerto Rico, 200 kilometrów na północny zachód od słynnego radioteleskopu w Arecibo Observatory. Już w 2007 roku dokonano pierwszych obserwacji na kontynencie północnoamerykańskim, nad superkomórkami burzowymi.
Red Sprites i Elves
Red Sprites podążają niczym odbicia lustrzane jednocześnie w górę i dół. Wyładowanie w dół zaczynające się na wysokości ok. 60 - 70 kilometrów ma kolor niebieski. Jego druga część porusza się w górę, tworząc malowniczy czerwony pióropusz osiągający wysokość nawet 90 kilometrów! Średnica tych wyładowań jest też imponująca, bo wynosi 50 i więcej kilometrów. Występują zawsze równocześnie z najsilniejszymi piorunami chmura – ziemia i trwają od jednej do trzech setnych sekundy. Ta „lustrzana” natura Red Sprites została potwierdzona obserwacjami dokonanymi już w 1999 roku, ale w 2005 roku przy zastosowaniu wtedy ultraszybkich kamer udało się to wyładowanie sfilmować z prędkością 5000 tysięcy klatek na sekundę.
Zdjęcie Red Sprite wykonane w dniu 18 sierpnia1999 roku, przez badaczy University of Wyoming Infrared Observatory.
Pierwsze kolorowe zdjęcie Red Spites.
Zaobserwowano też halo w postaci ogromnych pierścieni o średnicy setek kilometrów na wysokościach ponad 100 kilometrów, czyli w termosferze, które rozchodzą się promieniście powiększając swoją średnicę od miejsca wyładowań grupy zaliczanej do Sprites. To halo nazwano Elves.
Największym zaskoczeniem było odkrycie gromów wytwarzanych przez te wyładowania. Fala dźwiękowa wytwarzana przez Sprites ma częstotliwość zaledwie od 1 do 6 Herzów! Taki grom trwa od 3 do 10 sekund. Tego zakresu infradźwięków ludzie nie słyszą, ale nawet niesłyszalne infradźwięki mogą wywoływać stany lęku i niepokoju.
Red Sprites potrafią pobudzić do świecenia tysiące kilometrów sześciennych ziemskiej atmosfery w ciągu 5 -10 milisekund! To wyładowanie obejmuje stratosferę, mezosferę i termopauzę. Dziś dzięki powszechności kamer cyfrowych z matrycami o bardzo dużej czułości i rozdzielczości obserwacje tych wyładowań dostępne są amatorom.
Zobaczcie te filmy:
Poniżej widzicie niesamowite zdjęcie ze zbiorów NASA. Pokazuje ono strukturę podstawy tego wyładowania w ogromnej rozdzielczości.
Red Sprites były odkryte bardzo dawno temu.
Ale obserwacje te pozostały niezauważone przez naukowców. Niedowierzano też wspomnianemu już Wilsonowi, ani relacjom pilotów.
A przecież w XVIII wieku zjawisko to obserwował w masywie Vogelsberge w Hesji niemiecki prawnik Johan Georg Estor i opisał je w wydanej w 1757 roku książce „Die bürgerliche Rechtsgelehrsamkeit der Teutschen”. Nie ma wątpliwości, że chodziło o Red Sprits. Estor opisuje to tak: Der blitz steiget aus den wolken, teils in die hohe, teils i schuset er nach der erde. (pisownia staroniemiecka) Piorun wspinał się z chmury, częściowo w górę, częściowo strzelał on w kierunku ziemi.
Na zdjęciu poniżej Widzicie karty tej książki.
I mnie niedowierzano, kiedy opowiadałem o swym przeżyciu w Himalajach w 1987 roku.
Teraz wiem, że obserwowałem wtedy Startery. Przemawia za tym czas trwania obserwowanego wtedy przeze mnie zjawiska, szacowany na ponad 3 sekundy i niebiesko-biały odcień światła przez te wyładowania emitowany. Czerwona poświata była być może generowana przez Red Sprites, ale tych nie widziałem bezpośrednio.
Dzięki zdjęciom satelitarnym mogę też odtworzyć lokalizację burzy, która wtedy była źródłem obserwowanych przeze mnie wyładowań. Szalała ona nad kotliną Katmandu i w linii prostej oddalona była od mojego biwaku o ok. 70 kilometrów. Grań znajdująca się na linii pomiędzy moim biwakiem a kotliną, nie pozwalała mi na obserwowanie chmur burzowych. Zatem znajdując się pod krystalicznie czystym niebem, roziskrzonym jedynie światłem gwiazd mogłem zauważyć to delikatne światło. Przyczynił się do tego jeszcze przypadek. Otóż wychodząc z namiotu nie użyłem czołówki, aby nie budzić śpiących w nim kumpli. Co więcej podczas próby jej użycia na zewnątrz okazało się, że przepaliła się żaróweczka i czołówka nawet nie mrugnęła. Tak, więc moje oczy rejestrowały każdy słabiuteńki promień światła. Gdybym użył czołówki, zapewne delikatna poświata nie zostałaby zauważona, a tak wydawało mi się, że jest ona bardzo intensywna i czułem się jakbym był niemal zanurzony w tym tajemniczym świetle, które było niemal na wyciągnięcie ręki, choć oddalone o dziesiątki kilometrów.
Jak widzicie opisane typy wyładowań pozwalają na potwierdzenie hipotezy, że burza jest zjawiskiem w skali kosmicznej i postawienie tezy, że dzięki otaczającej Ziemię przestrzeni kosmicznej, nasza atmosfera będąc w stałym z nią oddziaływaniu nasyca się ogromną energią, zgromadzoną w zjonizowanych cząstkach wiatru słonecznego.
Ja postawiłby jeszcze jedną bardzo śmiałą hipotezę i przekonany jestem, że kiedyś zostanie ona potwierdzona. Nasz Układ Słoneczny znajduje się wraz z całą Drogą Mleczną w nieustanym ruchu przemierzając bezkres Wszechświata. Zatem oddziaływanie z materią tej przestrzeni zapewne jest widoczne w postaci części zjawisk towarzyszących burzom. Kto wie? Może doprowadzi to do odkrycia, że pola elektryczne i magnetyczne są tym, co łączy naszą materię z ciemną, o której istnieniu już wiemy, ale jeszcze nie potrafimy znaleźć z nią jakichkolwiek oddziaływań.
W następnej notce opowiem Wam, co się wydarzyło rok temu na Giewoncie, jak piorun oddziałuje na człowieka, jak ratować porażonych i jak zabezpieczyć siebie podczas niespodziewanej burzy w górach i na wodzie… A także o naukowych źródłach, z których korzystałem pisząc tę skromną notkę.
CDN
ps. Te filmy to lektura obowiązkowa:
Inne tematy w dziale Rozmaitości
