Há 20 anos, na noite de 5 a 6 de julho de 1989, ocorreu um evento importante na história da exploração do planeta Terra. John Randolph Winkler, um professor aposentado, veterano da NASA de 73 anos, apontou uma câmera de vídeo de alta sensibilidade para as nuvens de tempestade e, em seguida, olhando para a gravação quadro a quadro, descobriu dois flashes brilhantes, que, ao contrário de relâmpagos, não desceram ao solo, mas até ionosfera. Então sprites foram descobertos - a maior das descargas de alta altitude na atmosfera da Terra. Eles confirmaram claramente a existência de um circuito elétrico global em nosso planeta e forneceram novas oportunidades para seu estudo.
Vamos descobrir mais sobre isso …
As descargas registradas por John Winkler começaram de uma altura de 14 quilômetros, e suas dimensões eram superiores a 20 quilômetros. O mecanismo que levou ao seu aparecimento não era claro, e foi preciso muita coragem científica para anunciar uma descarga elétrica subindo das fronteiras da troposfera a tal altura.
Para obter evidências mais convincentes, um entusiasta Winkler esperou até que o furacão Hugo atingisse Minnesota e, na noite de 22-23 de setembro, registrou novamente em vídeo muitas descargas semelhantes em alta altitude sobre nuvens de tempestade. Curiosamente, ele conduziu formalmente esta pesquisa como amador, uma vez que não foi incluída em nenhum programa científico. Mas Winkler, é claro, não era um amador e agia de forma decisiva, como um homem claramente ciente de sua missão. De seu trabalho anterior na NASA, ele tem uma câmera de vídeo de alta velocidade com defeito. Ele persuadiu o reitor do departamento de física da Universidade de Minnesota a destinar US $ 7.000 para consertá-lo e instalou equipamento para analisar os registros em sua casa.
A filmagem única das descargas gigantescas assustou Winkler tanto quanto o deixou feliz. E se tal descarga atingir a aeronave? E o cientista voltou-se para seus colegas da NASA com um aviso. Eles começaram a duvidar. Quais são as descargas? Mas, em deferência ao passado de Winkler, eles deram uma olhada nas gravações dos voos do ônibus espacial. E eles não podiam acreditar no que viam: mais de uma dúzia dessas descargas foram encontradas nos filmes. Winkler acertou. Como profissional, ele trouxe o assunto à sua conclusão lógica - publicações nas principais revistas científicas Geophysical Research Letters (1989) e Science (1990).
Vídeo promocional:
Os artigos chocaram literalmente especialistas em astronomia, eletricidade atmosférica, radiofísica, acústica atmosférica, física de descarga de gás e segurança aeroespacial. Após essas publicações, a NASA não conseguiu mais ignorar a possível ameaça à espaçonave e começou um estudo detalhado de descargas em grandes altitudes. Durante os três anos de preparação para este trabalho, Winkler foi repetidamente consultado, mas nunca foi incluído no próprio programa.
Na primeira noite de observações, 7 de julho de 1993, em uma estação científica perto de Fort Collins (Colorado), pesquisadores surpresos registraram mais de 240 descargas em alta altitude. Na noite seguinte, um laboratório de vôo dedicado a bordo da aeronave DC-8 foi implantado para descartar um erro na determinação da altitude. Os resultados superaram todas as expectativas: enormes chamas foram detectadas em altitudes de pelo menos 50-60 quilômetros. Em homenagem ao inquieto Pak de "Sonho de uma noite de verão" de Shakespeare, eles receberam o nome de sprites, ou seja, espíritos do ar. Naturalmente, surgiu a questão: por que não sabiam nada sobre essas descargas antes, se cada frente de tempestade poderosa gera dezenas delas?
A análise da literatura mostrou que, ao longo de centenas de anos, muitas pessoas viram descargas incomuns e muito grandes acima das nuvens. Eles eram chamados de relâmpagos de foguetes, descargas estratosféricas turvas, relâmpagos ascendentes e até mesmo relâmpagos nuvem-espaço. Mas, na ausência de evidências confiáveis, relatos de testemunhas oculares estranhas foram simplesmente ignorados. Eles até rejeitaram um especialista tão conhecido e honrado no campo da eletricidade atmosférica como o ganhador do Prêmio Nobel Charles Thomson Wilson, que escreveu sobre um fenômeno semelhante em seu artigo em 1956. Foi preciso o talento, a experiência, a perseverança e o destemor do professor John Winkler, de modo que "isso não pode ser" rapidamente transformado em "mas quem não sabe disso". Agora, em vários vídeos na Internet, você pode examinar essas categorias em detalhes.
John Winkler morreu em 2001. Ele não trabalhou mais em rampas de alta altitude, embora seja difícil acreditar que ele não quisesse - depois de tanto sucesso. Sua publicação na Science era regularmente citada, mas aparentemente não incluída nos projetos. O obituário escrito por seus colegas mostra ressentimento por ele. Mas em vão. Sprites vermelhos e roxos são saudados a John Randolph Winkler todos os dias porque ele ensinou as pessoas a vê-los.
Logo, os pesquisadores descobriram todo um show de luzes se desenrolando na atmosfera superior, acima das tempestades de chumbo. Os principais atores nele (em ordem de baixo para cima): jatos azuis, que às vezes são chamados de gnomos (já que estão na parte inferior), no meio estão sprites e halos vermelho-púrpura e acima deles estão anéis avermelhados - elfos pairando na altura. Mas, claro, não devemos esquecer o diretor por trás da atuação grandiosa - essas são as conhecidas nuvens de tempestade e relâmpagos. Na verdade, não faz muito tempo que a trupe era mais numerosa, mas os pesquisadores aos poucos se livraram de espíritos, águas-vivas (alguns tipos de fadas) e outras "criaturas vivas" sonoras.
Deve-se notar que exercícios com nomes bonitos não são apenas divertidos no estilo de "brincadeira da física", como pode parecer à primeira vista. Como no show business, na ciência a promoção de ideias e tendências desempenha um papel importante, porque aqui e ali há luta por recursos. O campo da ciência que é ouvido pelo público é geralmente financiado de forma mais generosa. Lembre-se, pelo menos, da nanotecnologia, da qual todos estão falando, mas ninguém pode realmente explicar o que é e por que tanto dinheiro precisa ser direcionado para lá. Mas vamos voltar à nossa performance e apresentar a todos com mais detalhes para o público mais respeitável.
Os elfos são os mais efêmeros e de vida curta na família das altitudes elevadas. Esses anéis vermelho-violeta brilhantes aparecem na ionosfera inferior em altitudes de 80-100 quilômetros. Em menos de um milissegundo, o brilho, aparecendo no centro, se expande para 300-400 quilômetros e desaparece. Os elfos não foram estudados em grandes detalhes, provavelmente porque eles não causam muita controvérsia e não prometem progresso sério no entendimento da natureza das descargas atmosféricas. Eles nascem três décimos de milésimos de segundo (300 microssegundos) depois que um forte relâmpago atinge o solo de uma nuvem de tempestade. Seu tronco torna-se uma “antena transmissora”, da qual uma poderosa onda eletromagnética esférica de baixíssima freqüência começa na velocidade da luz. Em 300 microssegundos, chega a uma altitude de 100 quilômetros, onde excita o brilho vermelho-violeta das moléculas de nitrogênio. Quanto mais longe a onda vaiquanto mais largo se torna o anel, até que se afasta da fonte.
Os jatos azuis, ou gnomos, são as criaturas mais misteriosas, raras e difíceis de observar no conjunto de novas descargas de grande altitude. O gnomo se parece com um estreito cone invertido azul, começando na borda superior de uma nuvem de tempestade e às vezes atingindo 40 quilômetros de altura. A velocidade de propagação dos jatos azuis é de 10 a 100 km / s. Mas o mais estranho é que sua aparência nem sempre está associada a quedas de raios visíveis. Nas altitudes em que os jatos são lançados, a pressão ainda é relativamente alta, e não é surpreendente que sejam azuis. É assim que brilham relâmpagos, descargas de corona em fios, descargas de faíscas e até chamas de alta temperatura. Este também é o brilho das moléculas de nitrogênio, mas não na faixa vermelho-violeta, como no caso dos elfos, mas no azul ultravioleta.
Além dos jatos comuns, os chamados starters azuis às vezes se separam da borda superior da nuvem. Eles não sobem acima de 30 quilômetros. Alguns cientistas acreditam que este é apenas um raio direcionado para cima em uma área onde a pressão cai rapidamente e, portanto, os motores de arranque se expandem muito mais do que os raios convencionais. Outros os consideram jatos subdesenvolvidos.
Mas o tipo mais interessante de jatos azuis são chamados de jatos gigantes. Começando não muito longe da superfície da Terra, eles atingem 90 quilômetros de altura. O interesse dos geofísicos em jatos gigantes correspondem ao seu tamanho, pois essas descargas fazem um "vôo sem escalas" da troposfera diretamente para a ionosfera. No entanto, eles são extremamente raros e foram registrados de forma confiável no máximo uma dúzia de vezes. Ao mesmo tempo, vivem uma fração de segundo, o que, em princípio, permite que sejam notados a olho nu.
A teoria do jato está apenas dando seus primeiros passos. Ainda não está claro como esse fenômeno se parece. Se por sua natureza estão próximos do canal luminoso do relâmpago em fase de desenvolvimento, então fica claro por que o nascimento de um jato não está associado ao relâmpago: ele mesmo é um relâmpago. Mas, talvez, uma analogia mais próxima seja a descarga dentro de uma nuvem de tempestade, que energiza o canal do relâmpago. Nesse caso, será ainda mais difícil entender a natureza dos jatos, uma vez que a teoria de tais descargas está em um estágio inicial de desenvolvimento.
O maior número de observações e publicações é dedicado aos sprites vermelhos. Estas são verdadeiras estrelas pop entre as descargas atmosféricas de alta altitude. Às vezes parece que o interesse por eles é tão exagerado quanto em cantores populares. Por que eles merecem tanta atenção? A questão é provavelmente que eles são fáceis de observar (se, é claro, você souber que isso é possível). Dezenas de milhares de sprites nascem no globo todos os dias, e é incrível que eles não tenham sido notados por tanto tempo.
Sprites são chamas volumétricas muito brilhantes que ocorrem a uma altitude de 70-90 quilômetros e descem 30-40 quilômetros, e às vezes mais. Na parte superior, sua largura às vezes chega a dezenas de quilômetros. Estas são as mais volumosas das descargas de grande altitude. Como os elfos, os sprites estão intimamente relacionados aos raios, mas não a todos. A maioria dos raios caem da parte carregada negativamente da nuvem (em média, está mais perto do solo). Mas 10% dos raios que atingem o solo começam na área de uma carga positiva e, como a área principal da localização de uma carga positiva é maior do que a de uma carga negativa, o raio positivo é mais poderoso. Acredita-se que tais descargas poderosas geram sprites que brilham na mesosfera cerca de um centésimo de segundo após uma descarga nuvem-terra.
A cor vermelho-púrpura dos sprites, como a dos elfos, está associada ao nitrogênio atmosférico. A parte superior do sprite brilha uniformemente, mas abaixo de 70 quilômetros, a descarga parece ser tecida a partir de canais com centenas de metros de espessura. Sua estrutura é a característica mais interessante dos sprites para estudar. Os canais são chamados de streamers por analogia com as bem conhecidas descargas de agulhas em bordas afiadas de objetos em tempestades e em fios de alta tensão. É verdade que a espessura das serpentinas terrestres é da ordem de um milímetro e, nos sprites, elas são 100.000 vezes maiores. Ainda não está claro por que o diâmetro das serpentinas aumenta tanto - muito mais rápido do que a pressão do ar diminui com a altura.
O halo é um brilho roxo-avermelhado uniforme a uma altitude de cerca de 80 quilômetros. O motivo da descarga é aparentemente o mesmo do topo dos sprites, mas ao contrário deles, o halo sempre aparece diretamente acima do relâmpago. Sprites tomam a liberdade de estar em algum lugar lateral. Parece haver alguma conexão entre sprites e halos, mas o mecanismo ainda não está claro. Eles aparecem às vezes juntos, às vezes separadamente. Talvez o halo seja a parte superior dos sprites, quando a intensidade do campo elétrico não era suficiente para a descarga se espalhar no ar inferior mais denso.
De acordo com o Mapa Geográfico de Tempestades, os residentes das zonas equatorial e tropical da Terra têm maiores chances de avistar sprites. É nesta área que ocorrem até 78% de todas as tempestades. Os residentes da Rússia também podem observar sprites. O pico das tempestades em nosso país cai em julho-agosto. Foi nessa época que os amantes da astronomia podem ver um fenômeno tão bonito como os sprites.
De acordo com o American Sprite and Giant Jet Observing Handbook, para ver os sprites, o observador deve estar a aproximadamente 100 quilômetros do epicentro da tempestade. Para observar os jatos, ele deve apontar sua ótica em 30-35 graus em direção à área da tempestade. Assim, ele poderá observar parte da ionosfera a uma altitude de até 50 quilômetros, é nesta área que os jatos aparecem com mais frequência. Para observar os sprites, você deve apontar os binóculos em um ângulo de 45-50 graus, o que corresponderá à área do céu a uma altitude de cerca de 80 km - local onde nascem os sprites.
Para um estudo melhor e mais detalhado de sprites, jatos e ainda mais elfos, é melhor que o observador use um equipamento especial de cinema, que permitirá registrar em detalhes as labaredas celestes. A melhor época para caçar sprites na Rússia é de meados de julho a meados de agosto.
Sprites, como relâmpagos, são encontrados não apenas na Terra, mas também em outros planetas do sistema solar. Presumivelmente, foram os sprites que foram registrados por veículos de pesquisa espacial durante fortes tempestades em Vênus, Saturno e Júpiter.
Sprites e elfos aparecem em altitudes elevadas devido à forte ionização do ar pela poeira galáctica. A uma altitude de mais de 80 quilômetros, a condutividade da corrente é dez bilhões de vezes maior do que nas camadas superficiais da atmosfera.
O nome "sprites" vem do nome dos espíritos da floresta, que são mencionados na comédia de William Shakespeare "Sonho de uma noite de verão".
Sprites já eram conhecidos pela humanidade muito antes de 1989. As pessoas expressaram várias hipóteses sobre a natureza desse fenômeno, incluindo o fato de que os flashes de luz são espaçonaves alienígenas. Só depois que John Winkler foi capaz de capturar quadros de sprites na ionosfera é que os cientistas provaram que eles são de origem elétrica.
A cor de sprites, jatos e elfos difere dependendo da altura em que aparecem. O fato é que mais ar está concentrado na atmosfera próxima à Terra, enquanto uma alta concentração de nitrogênio é observada nas camadas superiores da ionosfera. O ar queima com chama azul e branca, nitrogênio - vermelho. Por esta razão, os jatos abaixo dos sprites são predominantemente azuis, enquanto os próprios sprites e, mais acima, os elfos, são avermelhados.
E aqui está um vídeo de um fenômeno muito raro - um raio crescente:
