Duszki i elfy na niebie – co o nich wiemy?

Kamila Rajfur
05.11.2021
Przewidywany czas: 3 min

Kiedy nadciągają burzowe chmury, można się spodziewać błyskawic i piorunów. Okazuje się jednak, że ponad chmurami chowają się przed nami inne optyczne fajerwerki. Coraz częściej to, co pasjonaci rejestrowali za pomocą aparatów, naukowcy badają z poziomu satelitów. O świetlnych duchach wiadomo coraz więcej.

Zjawiska elektryczne

Nie jest łatwo opisywać zjawiska elektryczne występujące w atmosferze. Nie da się wziąć pod uwagę każdej jednej naładowanej cząsteczki poruszającej się w powietrzu, dlatego opisu dokonuje się bardziej ogólnie, w przybliżeniu. Każdy ośrodek będzie miał inne właściwości elektrostatyczne.

Czy wiesz, że…

Dla naładowanej cząsteczki znajdującej się w atmosferze Ziemia jest przewodnikiem, natomiast powietrze znajdujące się w atmosferze tworzy izolator. Zewnętrzną warstwą atmosfery jest jonosfera. Cząsteczki gazów, które w niej się znajdują wciąż wystawione są na promieniowanie kosmiczne i słoneczne, które powoduje ich jonizację. Dlatego znajdują się tutaj same naładowane cząsteczki.

Co kotłuje się w chmurze?

Wyładowania, jakie zwykle mamy na myśli powstają w chmurach burzowych. Powietrze przy ziemi nagrzewa się od podłoża i wznosząc się do góry napędza prądy konwekcyjne, tworząc cały system prądów wstępujących i zstępujących. Cząsteczki mieszają się ze sobą przekazując sobie ładunek głównie przez zderzanie się. Ujemnie naładowane duże krople i cząstki lodu opadają na dół, natomiast mniejsze kryształki naładowane dodatnio unoszą się do góry. Proces ten prowadzi do rozdziału ładunku, różne części chmury tworzą obszary dodatnio lub ujemnie naładowane.

Zazwyczaj można powiedzieć, że ziemia naładowana jest ujemnie a jonosfera dodatnio. W pewnym momencie natężenie pola między obszarami różnie naładowanymi jest tak duże, że występuje przebicie i wyładowanie. Nie musi być tak, że piorun uderza w ziemię. Zdarza się, że wyładowanie następuje w obrębie chmury burzowej, albo pomiędzy dwiema chmurami, a nawet w powietrze. Mechanizm ten od bardzo dawna był dyskutowany, jako że pioruny uderzające w ziemię zawsze budziły nie tylko strach, ale też ciekawość.

Naturalne fajerwerki

Dopiero około lat 90. odkryto natomiast, że mogą występować też inne, o wiele bardziej tajemnicze, świetlne zjawiska. Przy okazji testowania nowej czułej kamery pracownikowi Uniwersytetu Minnesoty udało się zarejestrować dość dziwne zjawisko. Ponad chmurą burzową zaobserwował on kolumnę czerwonego blasku, coś w rodzaju pioruna bijącego od chmury w kierunku kosmosu. Kolejne lata przyniosły następne obserwacje czerwonych piorunów, które nazwano sprajt lub duszek (ang. sprite), a nawet nowe rodzaje wyładowań, niebieskie strumienie (ang. blue jet) czy elfy (ang. elves).

Pierwsze kolorowe zdjęcie czerwonego sprite’a, zrobione z samolotu. Źródło: Wikipedia

Całą grupę nazwano przejściowymi zdarzeniami świetlnymi, które są wtórnymi zdarzeniami w stosunku do występujących w niższej atmosferze burz. Zjawiska te mają różne kolory, na które wpływa nie tylko temperatura wyładowania, ale też skład atmosfery i jej ciśnienie na wysokości występowania zjawiska. Na wysokości 100 km, czyli w górnej granicy występowania sprajtów większość składu powietrza to azot cząsteczkowy. Tam wyładowania mają kolor czerwony.

Czy bać się duszków?

Natura czerwonych duszków nie została jeszcze dobrze poznana. Dotychczasowe badania wskazują, że kiedy następuje silne wyładowanie z wierzchołka chmury burzowej do ziemi, to spada potencjał między tymi miejscami, w pewien sposób ładunek w chmurze się neutralizuje. Okazuje się wtedy, że potencjał między chmurą a jonosferą zwiększa się, co może doprowadzić do wyładowania. Tak właśnie powstaje czerwony sprajt.

Zazwyczaj obserwuje się je na wysokości 50-90 km w postaci rozległego, ale stosunkowo słabego błysku o różnych kształtach. Trwa on od kilku do kilkuset milisekund, co razem z nieprzewidywalnością tego zdarzenia powoduje, że bardzo trudno uchwycić błyskawicę na zdjęciu. Jednocześnie wysyła ona bardzo silne promieniowanie elektromagnetyczne, w tym  promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma. Są one rejestrowane przez satelity takie jak misję satelitarną ESA Swarm, która bada pole magnetyczne Ziemi. Badanie tych zjawisk może mieć także wymiar praktyczny. Mimo, że wyładowania mają charakter lokalny, to powodując zakłócenia w jonosferze mogą wpływać na dokładność nawigacji satelitarnej i systemy komunikacyjne.

Autor

Kamila Rajfur

Fascynują mnie przede wszystkim najnowsze osiągnięcia z dziedziny nanotechnologii, ale ze zdumieniem dziecka obserwuję też odkrycia naukowe z innych dziedzin. Ukończyłam kierunek Fizyka Techniczna na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki na Politechnice Wrocławskiej. Uwielbiam żeglować, szczególnie pod wiatr oraz odkrywać Polskę po kawałku. Z zajęć domowych wygrywają książki i puzzle.
Zobacz również
CERN

Co dał nam CERN?

02.12.2021 4 min czytania

Podcasty NTL