Пилоты рассказывали о вспышках над грозовыми облаками десятилетиями, и их рассказы считали усталостью. Первый кадр получили случайно в 1989 году при настройке камеры, а за следующие тридцать лет из наблюдений выросла отдельная область физики атмосферы.
Верхняя граница грозового облака проходит на высоте десять-пятнадцать километров, и долгое время считалось, что выше ничего электрического не происходит. Разреженный воздух, нет капель и льдинок, нет разделения зарядов — значит, нет и разрядов.
Пилоты высотных рейсов рассказывали другое. В отчётах и в разговорах десятилетиями всплывали сообщения о столбах и вспышках, уходящих от вершины грозы вверх, в чёрное небо. Сообщения не публиковались и всерьёз не разбирались: свидетель один, снимка нет, объяснение под рукой — усталость и отражения в остеклении кабины.
Тем удивительнее, что теория опередила наблюдение на шестьдесят лет.
Предсказание 1925 года и снимок 1989-го
Британский физик Чарльз Томсон Риз Вильсон, создатель камеры Вильсона, рассуждал так. С высотой напряжённость электрического поля над грозовым облаком убывает медленнее, чем падает пробойная прочность разреженного воздуха. Значит, начиная с некоторой высоты пробой становится неизбежным, и разряды над грозой обязаны существовать.
Подтверждение пришло случайно. 6 июля 1989 года группа Джона Уинклера из Университета Миннесоты настраивала низкоуровневую телевизионную камеру, направив её в сторону далёкой грозы. На плёнке оказались два ярких столба, уходящих от облака вверх на десятки километров. Публикация вышла в журнале Science в 1990 году и мгновенно превратила «байки пилотов» в предмет исследования.
Название придумал физик Дэвис Сентмен: он предложил слово «спрайт», обозначающее сказочного духа, специально чтобы термин не намекал ни на какой механизм, пока механизм неизвестен. Имя прижилось и потянуло за собой остальную мифологическую номенклатуру.
Кто есть кто над облаком
Спрайты. Красные структуры на высоте от сорока до девяноста километров, живут единицы и десятки миллисекунд. Формой напоминают медуз со щупальцами или пучки моркови. Возникают после особенно мощного положительного разряда облако-земля, который резко перестраивает поле в мезосфере. Красный цвет дают полосы молекулярного азота.
Эльфы. Расширяющееся световое кольцо на высоте около девяноста-ста километров, диаметром до трёхсот километров, длительностью менее миллисекунды. Причина иная: электромагнитный импульс от разряда доходит до нижней ионосферы и подсвечивает её по расходящемуся фронту.
Голубые джеты. Узкие конусы, бьющие от вершины облака вверх до сорока-пятидесяти километров со скоростью порядка ста километров в секунду. Синий цвет — свечение ионизованного азота. Впервые уверенно засняты с самолёта в 1994 году.
Гигантские джеты. Самые эффектные: разряд соединяет вершину грозового облака с нижней ионосферой, поднимаясь на семьдесят-девяносто километров. Первые надёжные наблюдения относятся к началу 2000-х — над Пуэрто-Рико и над Южно-Китайским морем; работа группы Су вышла в Nature в 2003 году.
Все эти явления объединяют общим термином — кратковременные световые события в верхней атмосфере.
Гамма-вспышки, которые сначала приняли за помеху
Отдельная линия открытий началась в 1994 году. Прибор BATSE на орбитальной обсерватории имени Комптона, предназначенный для регистрации космических гамма-всплесков, фиксировал странные короткие события, приходящие не из глубин космоса, а снизу — от Земли.
Их назвали земными гамма-всплесками. Длительность — доли миллисекунды, энергия отдельных фотонов доходит до десятков мегаэлектронвольт, источник — грозовые облака. Механизм связывают с лавинным размножением так называемых убегающих электронов: в сильном поле грозы электрон разгоняется быстрее, чем теряет энергию на столкновениях, и порождает лавину, которая при торможении даёт жёсткое излучение.
Позже такие вспышки регистрировали аппараты RHESSI, Fermi и прибор ASIM, установленный на внешней платформе Международной космической станции в 2018 году. Обнаружены также сопутствующие всплески нейтронов и потоки позитронов.
Как это наблюдают сегодня
- камеры на борту Международной космической станции и специализированный комплекс ASIM Европейского космического агентства
- сети наземных чувствительных камер, включая любительские: спрайты снимают с равнин при удалённой грозе за горизонтом
- самолёты и высотные аэростаты
- французский спутник TARANIS, целиком посвящённый этой теме, был потерян при аварии ракеты-носителя в ноябре 2020 года
Прикладной интерес не сводится к красоте кадров. Разряды в мезосфере изменяют содержание оксидов азота и влияют на её химию, участвуют в глобальной электрической цепи планеты, а земные гамма-всплески заставили пересчитывать радиационную обстановку на эшелонах гражданской авиации.
История спрайтов — один из лучших доводов в пользу того, что свидетельства очевидцев стоит хотя бы записывать. Явление предсказали в 1925 году, десятилетиями видели с самолётов, не принимали всерьёз из-за отсутствия снимка и открыли по чистой случайности при настройке аппаратуры. Не хватало не гениальной догадки, а достаточно чувствительной камеры, направленной в нужную сторону.
Источники
- Franz R., Nemzek R., Winckler J. Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system, Science, 1990
- Fishman G. и соавторы. Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin, Science, 1994
- Su H. и соавторы. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere, Nature, 2003
