20 anni fa, nella notte tra il 5 e il 6 luglio 1989, ebbe luogo un evento importante nella storia dell'esplorazione del pianeta Terra. John Randolph Winkler, un professore in pensione e un veterano della NASA di 73 anni, ha puntato una videocamera ad alta sensibilità verso le nuvole temporalesche, e poi, guardando la registrazione fotogramma per fotogramma, ha scoperto due lampi luminosi che, a differenza dei fulmini, non sono scesi a terra, ma in alto, per ionosfera. Così sono stati scoperti gli sprite, la più grande delle scariche ad alta quota nell'atmosfera terrestre. Hanno chiaramente confermato l'esistenza di un circuito elettrico globale sul nostro pianeta e fornito nuove opportunità per il suo studio.
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Gli scarichi registrati da John Winkler sono partiti da un'altezza di 14 chilometri e le loro dimensioni erano superiori a 20 chilometri. Il meccanismo che ha portato alla loro comparsa non era chiaro e ci è voluto molto coraggio scientifico per annunciare la scarica elettrica che sale dai confini della troposfera a una tale altezza.
Per ottenere prove più convincenti, un entusiasta Winkler ha aspettato fino a quando l'uragano Hugo ha colpito il Minnesota e nella notte tra il 22 e il 23 settembre ha registrato di nuovo in video molti simili scarichi ad alta quota su nuvole temporalesche. È interessante notare che ha condotto formalmente questa ricerca da dilettante, poiché non era inclusa in alcun programma scientifico. Ma Winkler, ovviamente, non era un dilettante e agì con decisione, come un uomo chiaramente consapevole della sua missione. Dal suo lavoro passato alla NASA, ha una videocamera difettosa ad alta velocità. Convinse il decano del dipartimento di fisica dell'Università del Minnesota a stanziare 7.000 dollari per ripararlo e installò apparecchiature a casa sua per analizzare i record.
Il filmato unico delle scariche giganti spaventò Winkler tanto quanto lo rese felice. E se una tale scarica colpisce l'aereo? E lo scienziato si è rivolto ai suoi colleghi della NASA con un avvertimento. Cominciarono a dubitare. Quali sono gli scarichi? Ma per deferenza al passato di Winkler, hanno dato un'occhiata alle registrazioni dei voli dello space shuttle. E non potevano credere ai loro occhi: più di una dozzina di tali scariche sono state trovate sui film. Winkler ha capito bene. Come professionista, ha portato la questione alla sua logica conclusione: pubblicazioni sulle principali riviste scientifiche Geophysical Research Letters (1989) e Science (1990).
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Gli articoli hanno letteralmente scioccato gli specialisti in astronomia, elettricità atmosferica, radiofisica, acustica atmosferica, fisica delle scariche di gas e sicurezza aerospaziale. Dopo queste pubblicazioni, la NASA non poteva più scrollarsi di dosso la possibile minaccia per i veicoli spaziali e ha iniziato uno studio dettagliato delle scariche ad alta quota. Durante i tre anni di preparazione per questo lavoro, Winkler è stato più volte consultato, ma non è mai stato incluso nel programma stesso.
Nella primissima notte di osservazioni, il 7 luglio 1993, in una stazione scientifica vicino a Fort Collins (Colorado), i ricercatori sorpresi hanno registrato più di 240 scariche ad alta quota. La notte successiva, un laboratorio di volo dedicato a bordo del velivolo DC-8 è stato schierato per escludere un errore nella determinazione dell'altitudine. I risultati hanno superato tutte le aspettative: enormi razzi sono stati rilevati ad altitudini di almeno 50-60 chilometri. In onore dell'inquieto Pak del "Sogno di una notte di mezza estate" di Shakespeare, è stato dato loro il nome di sprite, cioè spiriti dell'aria. Naturalmente è sorta la domanda: perché non sapevano prima di queste scariche, se ogni potente fronte temporale ne generava a dozzine?
L'analisi della letteratura ha dimostrato che per centinaia di anni molte persone hanno assistito a scariche insolite e molto grandi sopra le nuvole. Erano chiamati fulmini a razzo, scariche stratosferiche nuvolose, fulmini ascendenti e persino fulmini da nube a spazio. Ma in assenza di prove affidabili, strani rapporti di testimoni oculari sono stati semplicemente ignorati. Hanno persino messo da parte uno specialista così noto e onorato nel campo dell'elettricità atmosferica come il premio Nobel Charles Thomson Wilson, che ha scritto su un fenomeno simile nel suo articolo nel 1956. Ci sono voluti l'estro, l'esperienza, la perseveranza e il coraggio del professor John Winkler, in modo che "questo non può essere" trasformato molto rapidamente in "ma chi non lo sa". Ora, su numerosi video su Internet, puoi esaminare queste categorie in dettaglio.
John Winkler è morto nel 2001. Non ha lavorato più sui gradi di alta quota, anche se è difficile credere che non volesse farlo, dopo questo o quel successo. La sua pubblicazione su Science era regolarmente citata, ma apparentemente non inclusa nei progetti. Il necrologio scritto dai suoi colleghi mostra risentimento per lui. Ma invano. Gli sprite rossi e viola vengono salutati ogni giorno a John Randolph Winkler perché ha insegnato alle persone a vederli.
Presto, i ricercatori hanno scoperto un intero spettacolo di luci che si svolgeva nell'alta atmosfera sopra i temporali di piombo. Gli attori principali in esso (in ordine dal basso verso l'alto): getti blu, che a volte sono chiamati gnomi (poiché sono in basso), nel mezzo ci sono sprite e aloni rosso-viola, e sopra di loro ci sono anelli rossastri - elfi che svettano in altezza. Ma, naturalmente, non dobbiamo dimenticare il regista dietro la grandiosa performance: queste sono le famose nuvole temporalesche e fulmini. In realtà, non molto tempo fa la troupe era più numerosa, ma i ricercatori gradualmente si sono sbarazzati di spiriti, meduse (alcuni tipi di folletti) e altre "creature viventi" sonore.
Va notato che gli esercizi con bei nomi non sono solo divertenti nello stile della "fisica scherzosa", come potrebbe sembrare a prima vista. Come nel mondo dello spettacolo, nella scienza la promozione di idee e tendenze gioca un ruolo importante, perché qua e là c'è una lotta per le risorse. Il campo della scienza ascoltato dal pubblico è solitamente finanziato in modo più generoso. Ricorda almeno la nanotecnologia, di cui tutti parlano, ma nessuno può davvero spiegare cosa sia e perché così tanto denaro deve essere diretto lì. Ma torniamo alla nostra performance e presentiamo tutti in modo più dettagliato al pubblico più rispettabile.
Gli elfi sono i più effimeri e di breve durata nella famiglia d'alta quota. Questi anelli rosso-viola luminosi compaiono nella ionosfera inferiore ad altitudini di 80-100 chilometri. In meno di un millisecondo, il bagliore, che appare al centro, si espande fino a 300-400 chilometri e svanisce. Gli elfi non sono stati studiati nei minimi dettagli, probabilmente perché non provocano molte polemiche e non promettono seri progressi nella comprensione della natura delle scariche atmosferiche. Nascono tre diecimillesimi di secondo (300 microsecondi) dopo che un forte fulmine colpisce il terreno da una nube temporalesca. Il suo tronco diventa una "antenna trasmittente", dalla quale parte alla velocità della luce una potente onda elettromagnetica sferica di bassissima frequenza. In 300 microsecondi, arriva appena a un'altitudine di 100 chilometri, dove eccita il bagliore rosso-violetto delle molecole di azoto. Più l'onda vapiù largo diventa l'anello, fino a quando non si allontana dalla sorgente.
I jet blu, o gnomi, sono le creature più misteriose, rare e difficili da osservare nell'insieme dei nuovi scarichi ad alta quota. Lo gnomo si presenta come uno stretto cono rovesciato blu, che parte dal bordo superiore di una nuvola temporalesca e talvolta raggiunge i 40 chilometri di altezza. La velocità di propagazione dei blue jet va da 10 a 100 km / s. Ma la cosa più strana è che il loro aspetto non è sempre associato a fulmini visibili. Alle altitudini da cui vengono lanciati i getti, la pressione è ancora relativamente alta e non sorprende che siano blu. È così che brillano fulmini, scarica corona sui fili, scarica di scintille e persino fiamme ad alta temperatura. Questo è anche il bagliore delle molecole di azoto, ma non nella striscia rosso-viola, come nel caso degli elfi, ma nell'ultravioletto-blu.
Oltre ai normali getti, i cosiddetti starter blu a volte si rompono dal bordo superiore della nuvola. Non superano i 30 chilometri. Alcuni scienziati ritengono che questo sia solo un fulmine diretto verso l'alto in un'area in cui la pressione scende rapidamente e quindi gli avviatori si espandono molto più dei fulmini convenzionali. Altri li considerano jet sottosviluppati.
Ma il tipo più interessante di jet blu è stato chiamato jet gigante. Partendo non molto lontano dalla superficie della Terra, raggiungono i 90 chilometri di altezza. L'interesse dei geofisici nei getti giganti per abbinare le loro dimensioni, perché queste scariche fanno un "volo senza scalo" dalla troposfera direttamente alla ionosfera. Tuttavia, sono estremamente rari e sono stati registrati in modo affidabile non più di una dozzina di volte. Allo stesso tempo, vivono per una frazione di secondo, il che, in linea di principio, consente loro di essere notati ad occhio nudo.
La teoria del jet sta solo muovendo i primi passi. Non è nemmeno chiaro come sia questo fenomeno. Se per loro natura sono vicini al canale luminoso del fulmine in fase di sviluppo, allora diventa chiaro perché la nascita di un getto non è associata al fulmine: esso stesso è fulmine. Ma, forse, un'analogia più vicina è la scarica all'interno di una nube temporalesca, che eccita il canale del fulmine. In questo caso, sarà ancora più difficile comprendere la natura dei getti, poiché la teoria di tali scariche è in una fase iniziale di sviluppo.
Il maggior numero di osservazioni e pubblicazioni è dedicato agli sprite rossi. Queste sono delle vere pop star tra le scariche atmosferiche d'alta quota. A volte sembra che l'interesse per loro sia surriscaldato come nei cantanti popolari. Perché meritavano tanta attenzione? Il punto è probabilmente che sono facili da osservare (se, ovviamente, sai che è possibile). Decine di migliaia di sprite nascono ogni giorno sul globo ed è sorprendente che non siano stati notati per così tanto tempo.
Gli sprite sono bagliori volumetrici molto luminosi che si verificano a un'altitudine di 70-90 chilometri e scendono di 30-40 chilometri, e talvolta di più. Nella parte superiore, la loro larghezza raggiunge talvolta decine di chilometri. Questi sono i più voluminosi degli scarichi in alta quota. Come gli elfi, gli sprite sono strettamente legati ai fulmini, ma non tutti. La maggior parte dei fulmini colpisce dalla parte caricata negativamente della nuvola (in media, è più vicina al suolo). Ma il 10% dei fulmini che colpiscono il suolo parte dall'area di una carica positiva e poiché l'area principale della posizione di una carica positiva è maggiore di quella di una carica negativa, il fulmine positivo è più potente. Si ritiene che scariche così potenti generino sprite che lampeggiano nella mesosfera circa un centesimo di secondo dopo una scarica da nube a terra.
Il colore rosso-viola degli sprite, come quello degli elfi, è associato all'azoto atmosferico. La parte superiore dello sprite si illumina in modo uniforme, ma sotto i 70 chilometri, lo scarico sembra essere tessuto da canali spessi centinaia di metri. La loro struttura è la caratteristica più interessante da studiare degli sprite. I canali sono chiamati stelle filanti per analogia con le ben note scariche di aghi su bordi affilati di oggetti nei temporali e su fili ad alta tensione. È vero, lo spessore delle stelle filanti terrestri è dell'ordine di un millimetro e negli sprite sono 100.000 volte più grandi. Non è ancora chiaro perché il diametro delle stelle filanti aumenti così tanto, molto più velocemente di quanto la pressione dell'aria diminuisca con l'altezza.
L'alone è un bagliore rosso-viola uniforme a un'altitudine di circa 80 chilometri. Il motivo della scarica è apparentemente lo stesso della parte superiore degli sprite, ma a differenza di loro, l'alone appare sempre direttamente sopra il lampo. Gli sprite si prendono la libertà di stare da qualche parte dalla parte. Sembra esserci qualche connessione tra sprite e aloni, ma il meccanismo non è ancora chiaro. A volte appaiono insieme, a volte separatamente. Forse l'alone è la parte superiore degli sprite, quando l'intensità del campo elettrico non era sufficiente perché la scarica si diffondesse nell'aria inferiore più densa.
Secondo la mappa geografica dei temporali, i residenti delle zone equatoriali e tropicali della Terra hanno le maggiori possibilità di vedere gli sprite. È in quest'area che si verificano fino al 78% di tutti i temporali. I residenti in Russia possono anche osservare gli sprite. Il picco dei temporali nel nostro paese cade a luglio-agosto. È stato in questo momento che gli amanti dell'astronomia possono vedere un fenomeno così bello come gli sprite.
Secondo l'American Sprite and Giant Jet Observing Handbook, per vedere gli sprite, l'osservatore deve trovarsi a circa 100 chilometri dall'epicentro del temporale. Per poter osservare i getti, dovrebbe puntare la sua ottica a 30-35 gradi verso l'area del temporale. Quindi potrà osservare parte della ionosfera ad un'altitudine fino a 50 chilometri, è in quest'area che i getti compaiono più spesso. Per osservare gli sprite, dovresti puntare il binocolo con un angolo di 45-50 gradi, che corrisponderà all'area del cielo a un'altitudine di circa 80 km - il luogo in cui sono nati gli sprite.
Per uno studio migliore e più dettagliato di sprite, jet e ancor più elfi, è meglio per l'osservatore utilizzare attrezzature cinematografiche speciali, che consentiranno di registrare in dettaglio i bagliori celesti. Il periodo migliore per cacciare gli sprite in Russia va da metà luglio a metà agosto.
Gli spiriti, come i fulmini, si trovano non solo sulla Terra, ma anche su altri pianeti del sistema solare. Presumibilmente, sono stati gli sprite che sono stati registrati dai veicoli di ricerca spaziale durante le forti tempeste su Venere, Saturno e Giove.
Gli spiriti e gli elfi appaiono a tali altezze a causa della forte ionizzazione dell'aria da parte della polvere galattica. A un'altitudine di oltre 80 chilometri, la conduttività della corrente è dieci miliardi di volte superiore a quella degli strati superficiali dell'atmosfera.
Il nome "sprite" deriva dal nome degli spiriti della foresta, a cui ci si riferisce nella commedia di William Shakespeare "Sogno di una notte di mezza estate".
Gli spiriti erano noti all'umanità molto prima del 1989. Le persone hanno espresso varie ipotesi sulla natura di questo fenomeno, incluso il fatto che i lampi di luce sono astronavi aliene. È stato solo dopo che John Winkler è stato in grado di catturare fotogrammi di sprite nella ionosfera che gli scienziati hanno dimostrato che sono di origine elettrica.
Il colore di sprite, jet ed elfi varia a seconda dell'altezza alla quale appaiono. Il fatto è che più aria è concentrata nell'atmosfera vicino alla Terra, mentre un'alta concentrazione di azoto si osserva negli strati superiori della ionosfera. L'aria brucia con fiamme blu e bianche, azoto - rosso. Per questo motivo, i getti sotto gli sprite sono prevalentemente blu, mentre gli stessi sprite e, più in alto, gli elfi, sono rossastri.
Ed ecco un video di un fenomeno molto raro: l'aumento dei fulmini:
