Wy∏adowania atmosferyczne

ponad chmurami

Naukowcy odkrywajà niezwyk∏à ró˝norodnoÊç zjawisk elektrycznych
zachodzàcych ponad chmurami burzowymi

Stephen B. Mende, Davis D. Sentman i Eugene M. Wescott

BADANIA ZJAWISK ELEKTRYCZNYCH W ATMOSFERZE

„KRASNOLUDKI” to b∏yski Êwietlne, które obserwuje si´ na du˝ej wy-
sokoÊci ponad chmurami burzowymi, w cz´Êci atmosfery zwanej mezo-
sferà. Na ogó∏ wyst´pujà rzadko, lecz niektóre burze mogà generowaç
je cz´sto. Zwykle górna cz´Êç chmury jest na∏adowana dodatnio, a dol-
na – ujemnie. Wy∏adowanie atmosferyczne rozwija si´ przewa˝nie od dol-
nej ujemnie na∏adowanej cz´Êci chmury ku ziemi. Czasem jednak prze-
bicie nast´puje od górnej dodatnio na∏adowanej cz´Êci chmury

bezpoÊrednio do ziemi, czemu towarzyszy w kanale wy∏adowania prze-
p∏yw pràdu o wyjàtkowo du˝ym nat´˝eniu. Mniej wi´cej jeden na 20 ta-
kich piorunów z górnej cz´Êci chmury do powierzchni jest tak silny, ˝e
towarzyszà mu „krasnoludki”. Taki przypadek pokazano na zdj´ciu wy-
konanym z powierzchni Ziemi za pomocà monochromatycznej kamery
wideo. Kolor zosta∏ dodany potem w taki sposób, by pasowa∏ do obra-
zów zarejestrowanych z pok∏adu samolotu.

STEPHEN B. MENDE I

R. L. RAIRDEN; LAURIE GRACE

(kolory)

GWIAZDY

„KRASNOLUDKI”

(WYSOKOÂå

50–90 KILOMETRÓW)

GÓRNA CZ¢Âå CHMURY
(WYSOKOÂå 5–10 KILOMETRÓW)

ÂWIAT¸A NA ZIEMI

Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 1997 41

O

d najdawniejszych czasów b∏y-
skawice zarazem przera˝a∏y i
fascynowa∏y ludzi swà wspa-

nia∏oÊcià i pot´gà. Na przyk∏ad w staro-
˝ytnej Grecji uderzenia piorunów przy-
pisywano Zeusowi, najpot´˝niejszemu
z bogów. Nawet dziÊ, gdy rozumiemy
ju˝ mechanizm elektrycznych wy∏ado-
waƒ atmosferycznych, zjawisko to na-
dal uchodzi za nieco tajemnicze. Wie-
lu obserwatorów opisywa∏o Êwietlne
b∏yski widoczne wysoko na nocnym
niebie. Niektóre z nich mo˝na uwa˝aç
za zorze lub dziwnie oÊwietlone chmu-
ry, lecz sà i takie, które nie tak ∏atwo
wyjaÊniç. Zw∏aszcza piloci samolotów
odbywajàcych loty w ciemnoÊci obser-
wujà niekiedy dziwne b∏yski ponad
chmurami burzowymi. Ârodowisko na-
ukowe w du˝ej mierze nie dawa∏o wia-
ry tym doniesieniom a˝ do roku 1990,
kiedy to John R. Winckler ze wspó∏pra-
cownikami z University of Minnesota
po raz pierwszy zarejestrowa∏ jedno
z tych tajemniczych zjawisk za pomocà
kamery wideo. Na uzyskanych obra-
zach widaç b∏yskawice ca∏kiem nowe-
go rodzaju.

Osiàgni´cie Wincklera da∏o poczàtek

lawinie doniesieƒ na temat zjawisk
elektrycznych zachodzàcych wysoko
w atmosferze. Obserwowano je setki
razy – z promów kosmicznych, z sa-
molotów oraz z ziemi – i utwierdzano
si´ w przekonaniu, ˝e towarzyszàce
burzom wy∏adowania atmosferyczne
zdarzajà si´ nie tylko w dolnej cz´Êci
atmosfery, tzn. mi´dzy chmurami a po-
wierzchnià naszego globu. Obecnie
wiemy ju˝, ˝e wy∏adowania te zacho-

dzà te˝ regularnie w rozrzedzonym po-
wietrzu ponad chmurami burzowymi
do wysokoÊci 90 km.

Jest rzeczà zadziwiajàcà, ˝e zjawiska,

cz´sto widoczne nawet go∏ym okiem,
tak d∏ugo czeka∏y na odkrycie. Wyda-
je si´, ˝e naukowcy nie powinni byç za-
skoczeni istnieniem pewnych form wy-
∏adowaƒ elektrycznych na du˝ych
wysokoÊciach w atmosferze. Od daw-
na przecie˝ wiedziano, ˝e wysoko po-
nad turbulentnymi warstwami atmo-
sfery nadfioletowe promieniowanie
s∏oneczne w zderzeniach z czàsteczka-
mi gazu wybija z nich swobodne elek-
trony. W ten sposób powstaje w∏aÊnie
jonosfera – przewodzàca elektrycznie
warstwa atmosfery. Mi´dzy chmurami
burzowymi a jonosferà ró˝nica poten-
cja∏ów mo˝e byç bardzo znaczna, po-
dobnie jak mi´dzy chmurami a ziemià.
A te olbrzymie napi´cia sà w∏aÊnie
przyczynà b∏yskawic, które powstajà,
gdy w powietrzu – w normalnych wa-
runkach b´dàcym izolatorem elektrycz-
nym – nast´puje przebicie i tworzy si´
kana∏ przewodzàcy, pozwalajàcy na
przep∏yw pràdu elektrycznego. Przebi-
cie mo˝e wi´c nastàpiç zarówno mi´-
dzy chmurami a ziemià, jak mi´dzy
chmurami a jonosferà.

Poniewa˝ ze wzrostem wysokoÊci at-

mosfera staje si´ coraz bardziej rozrze-
dzona, wy∏adowania na du˝ych wyso-
koÊciach napotykajà na swej drodze
nieliczne czàsteczki gazu i majà barw´
rzadko spotykanà w ich typowych for-
mach. Sà one zwykle czerwonawe i bar-
dzo s∏abo widoczne. Dlatego te˝, aby
zarejestrowaç je na tle ciemnego noc-

nego nieba, trzeba u˝yç czu∏ych kamer
wideo. Badacze tych zjawisk atmosfe-
rycznych muszà wi´c pokonaç trudno-
Êci techniczne wynikajàce ze s∏aboÊci
efektów Êwietlnych i ich przypadkowe-
go charakteru. Mimo to w ostatnich kil-
ku latach dokonano znacznego post´-
pu w zrozumieniu tych procesów.

Dwaj z nas (Sentman i Wescott) zaini-

cjowali badania tych form wy∏adowaƒ,
u˝ywajàc odpowiednio wyposa˝onych
samolotów odrzutowych. Natomiast
wszyscy trzej analizujemy tak˝e (po-
dobnie jak wielu innych naukowców)
aktywnoÊç elektrycznà w górnych war-
stwach atmosfery na podstawie obser-
wacji wykonywanych z powierzchni glo-
bu. Na przyk∏ad co rok korzystamy
z goÊcinnoÊci Waltera A. Lyonsa, bada-
cza z ASTeR w Fort Collins w Kolora-
do, i ustawiamy naszà aparatur´ w jego
ogrodowym laboratorium – miejscu,
gdzie mo˝na bez zak∏óceƒ obserwowaç
nocne niebo ponad chmurami burzowy-
mi na Wielkich Równinach. (Zdj´cia
reprodukowane na stronach 40 i 42 zo-
sta∏y wykonane w∏aÊnie w jego przy-
domowym laboratorium.) To tam – w
domu Lyonsa – Umran S. Inan i jego
wspó∏pracownicy ze Stanford Universi-
ty zarejestrowali fale radiowe o niskiej
cz´stotliwoÊci towarzyszàce wy∏adowa-
niom dojonosferycznym, co pozwoli∏o
im na sformowanie pierwszych modeli
teoretycznych tego zjawiska.

Odkryte ostatnio zjawiska elektrycz-

ne towarzyszàce wy∏adowaniom atmo-
sferycznym w górnych warstwach at-
mosfery mo˝na podzieliç na cztery
kategorie. Dwie z nich to: „krasnolud-
ki” (sprites) i „elfy” (elves), które od-
noszà si´ – mimo fantazyjnych nazw*
– do dobrze znanych zjawisk fizycz-
nych zachodzàcych w atmosferze. Przy-
czyny powstawania dwóch innych,
zwanych „b∏´kitnymi fontannami”
(blue jets) i impulsami promieniowania
gamma (gamma-ray events) sà znacz-
nie mniej pewne. Jednak zarówno nasz
zespó∏ badawczy, jak i wiele innych na
ca∏ym Êwiecie, wcià˝ gromadzi obser-
wacje, które powinny doprowadziç do
zidentyfikowania mechanizmów fizycz-
nych powodujàcych powstawanie tych
dziwnych zjawisk. A na razie, kontem-
plujàc te niezwyk∏e impulsy energii
przecinajàce eteryczny niebosk∏on,
mo˝emy tylko – jak staro˝ytni – podzi-
wiaç je i baç si´.

*Nie sà to terminy oficjalnie przyj´te w j´zyku
polskim, a jedynie swobodny przek∏ad z angiel-
skiego (przyp. t∏um.).

PIORUNY zwykle doprowadzajà do ziemi ujemny ∏adunek elektryczny z dolnej cz´Êci chmu-
ry (z lewej). Czasami pot´˝ne wy∏adowania powodujà gwa∏towny zanik dodatniego ∏adunku
elektrycznego, zgromadzonego w górnej cz´Êci chmury (poÊrodku). Silne pole elektryczne
(zmiany nat´˝enia uwidoczniono na rysunku za pomocà odcieni koloru) w obszarze mi´dzy
górnà cz´Êcià chmury a jonosferà pociàga wówczas elektrony ku górze, gdzie zderzajà si´ one
z czàsteczkami gazu. JeÊli pole elektryczne jest dostatecznie silne, a powietrze dostatecz-
nie rozrzedzone, to elektrony mogà zostaç przyspieszone do tak du˝ych pr´dkoÊci, ˝e ich
energia kinetyczna przekazywana czàsteczkom gazu w zderzeniach b´dzie wystarczajàca na
to, by zosta∏y one przeniesione do stanów wzbudzonych. Powrotowi czàsteczki do stanu
podstawowego towarzyszy emisja Êwiat∏a, co jest êród∏em „krasnoludków” (z prawej), które
pojawiajà si´ na wysokoÊci 50–90 km.

BRYAN CHRISTIE

JONOSFERA

DODATNIE

WY¸ADOWANIA DOZIEMNE

„KRASNOLUDKI”

42 Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 1997

èRÓD¸EM „ELFÓW”, tak jak „krasnoludków”, jest pole elektryczne wytwarzane na du˝ej wysokoÊci przez wyjàtkowo silne wy∏adowania doziem-
ne. „Elfy” majà wyglàd Êwietlistych p∏aszczyzn w kszta∏cie naleÊnika (poni˝ej z prawej; kolor dodano w ten sposób, by obraz przypomina∏ rzeczywisty,
najcz´Êciej spotykany). „Elfy” mogà towarzyszyç „krasnoludkom”, lecz pojawiajà si´ wczeÊniej od nich i wczeÊniej zanikajà. Sekwencja zdj´ç
z kamery wideo (powy˝ej) ukazuje przebieg zjawisk w czasie: tu˝ przed uderzeniem pioruna niebo jest jednorodnie ciemne (a); b∏yskawica oÊwie-
tla górnà cz´Êç chmury i natychmiast pojawia si´ p∏aska poÊwiata „elfów” wysoko w mezosferze (b); zaraz potem w tej cz´Êci atmosfery wybu-
chajà b∏yski „krasnoludków”, których Êwiat∏o towarzyszy s∏abej poÊwiacie krà˝ka „elfów” (c); w koƒcu widoczne sà tylko „krasnoludki” (d).

W WYNIKU POT¢˚NYCH WY¸ADOWA¡ ATMOSFERYCZNYCH powstajà impulsy pola elek-
tromagnetycznego tworzàce „elfy”. Taki impuls, b´dàcy niczym innym jak silnym sygna∏em
atmosferycznych zak∏óceƒ radiowych, przemieszcza si´ z pr´dkoÊcià Êwiat∏a we wszystkich
kierunkach od miejsca wy∏adowania. Gdy jego cz´Êç rozchodzàca si´ ku górze (kuliste cza-
sze) osiàgnie pewnà wysokoÊç krytycznà (mniej wi´cej 75–100 km), elektrony sà niezwykle
skutecznie przyspieszane przez pole elektryczne impulsu. Szybkie elektrony zderzajà si´
z czàsteczkami powietrza i przeprowadzajà je do stanów wzbudzonych, co powoduje emisj´
Êwiat∏a w miejscu, gdzie kulista czasza impulsu osiàga wysokoÊç krytycznà, a wi´c na ob-
szarze w kszta∏cie pierÊcienia. W miar´ rozchodzenia si´ impulsu promieƒ tego pierÊcienia
si´ powi´ksza. PierÊcienie rozbiegajà si´ tak szybko (w rzeczywistoÊci szybciej ni˝ Êwiat∏o),
˝e sà widoczne jako p∏aski dysk.

a

b

c

d

STEPHEN B. MENDE

BRYAN CHRISTIE

STEPHEN B. MENDE

0 KILOMETRÓW

100 KILOMETRÓW

WARSTWA
„ELFÓW”

BURZA Z PIORUNAMI

BRYAN CHRISTIE

Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 1997 43

„B¸¢KITNE FONTANNY”, wyst´pujàce jedynie poni˝ej 40 km,
stosunkowo trudno jest zaobserwowaç. Na zdj´ciu koloro-
wym (z prawej) widaç, ˝e sà one intensywnie niebieskie. Âwia-
t∏o o tej barwie jest silnie t∏umione przez atmosfer´, co nie
zachodzi dla czerwonawego Êwiecenia „krasnoludków” czy
„elfów”. Aby móc obserwowaç „b∏´kitne fontanny”, trzeba
wi´c wydostaç si´ ponad g´ste dolne warstwy atmosfery. Te
niesamowite sto˝ki b∏´kitnego Êwiat∏a zarejestrowali po raz
pierwszy Sentman i Wescott w 1994 roku podczas lotu po-
nad silnà burzà w Arkansas. Sekwencja zdj´ç z czu∏ej mono-
chromatycznej kamery wideo (a–d) pokazuje, jak takie stru-
gi Êwietlne wystrzelajà z górnych partii chmur burzowych
z pr´dkoÊcià oko∏o 120 km/s. Badacze nie uzgodnili jeszcze,
która z konkurujàcych teorii najlepiej wyjaÊnia powstawanie
„b∏´kitnych fontann”.

IMPULSY PROMIENIOWANIA GAMMA (gamma-ray events) i promieniowania rentgenow-
skiego ponad chmurami burzowymi sà najbardziej tajemniczymi zjawiskami elektryczny-
mi zachodzàcymi w górnych warstwach attmosfery. Ich istnienie zosta∏o stwierdzone ca∏-
kiem niedawno dzi´ki jednemu z przyrzàdów satelity Compton Gamma Ray Observatory
(z lewej), który zarejestrowa∏ promieniowanie gamma biegnàce od strony Ziemi. Promie-
niowanie gamma pochodzi ze êróde∏ jàdrowych lub kosmicznych, w zwiàzku z czym nie
oczekuje si´ jego powstawania w atmosferze ziemskiej. Szybkie elektrony, prowadzàce do
kreacji „krasnoludków”, rzadko osiàgajà energi´ wi´kszà ni˝ 20 eV (jest to energia, jakà
uzyskuje elektron przyspieszony w polu elektrycznym o ró˝nicy potencja∏ów równej 20 V),
podczas gdy do wytworzenia promieniowania gamma potrzebna jest energia oko∏o mi-
liona elektronowoltów. Te dwie wielkoÊci sà tak ró˝ne od siebie jak energie wyzwalane
przez chemiczny ∏adunek wybuchowy i bomb´ jàdrowà. Podobnie jak „b∏´kitne fontanny”
impulsy promieniowania gamma dopiero zaczynajà byç przedmiotem badaƒ. Nale˝y ocze-
kiwaç, ˝e szczególnie pomocne b´dà w tym przypadku obserwacje satelitarne.

Informacje o autorach

STEPHEN B. MENDE, DAVIS D. SENTMAN I EUGENE M. WE-

SCOTT w ostatnich kilku latach poÊwi´cili wiele czasu badaniom cie-

kawych zjawisk elektrycznych w górnych warstwach atmosfery. Men-

de uzyska∏ doktorat z fizyki w Imperial College w University of London

w 1965 roku. W latach 1967–1996 pracowa∏ w Lockheed Palo Alto Re-

search Laboratory, a obecnie jest cz∏onkiem Laboratorium Badaƒ

Kosmicznych w University of California w Berkeley. Sentman studio-

wa∏ fizyk´ przestrzeni kosmicznej pod kierunkiem Jamesa Van Alle-

na w University of Iowa, gdzie uzyska∏ doktorat w 1976 roku. Po 14

latach pracy w University of California w Los Angeles przeszed∏ na Wy-

dzia∏ Fizyki University of Alaska-Fairbanks, gdzie prowadzi zaj´cia ze

studentami. Wescott zrobi∏ doktorat z geofizyki w University of Ala-

ska-Fairbanks w 1964 roku. Przez trzy lata pracowa∏ w NASA Goddard

Space Flight Center w Maryland, a nast´pnie powróci∏ do University

of Alaska-Fairbanks na stanowisko profesora geofizyki.

Literatura uzupe∏niajàca

DISCOVERY OF INTENSE GAMMA-RAY FLASHES OF ATMOSPHERIC ORIGIN

. G. J. Fi-

shman, P. N. Blat, R. Mallozzi, J. M. Horack, T. Koshut, C. Kouvelio-

tou, G. N. Pendleton, C. A. Meegan, R. B. Wilson, W. S. Paciesas, S. J.

Goodman i H. J. Christian, Science, vol 264, ss. 1313-1316, 27 V 1994.

PRELIMINARY RESULTS FROM THE SPRITES94 AIRCRAFT CAMPAIGN, 1:RED SPRITES

.

D. D. Sentman, E. M. Wescott, D. L. Osborne, D. L. Hampton i M.

J. Heavner, Geophysical Research Letters, vol. 22, nr 10, ss. 1205-1208,

15 V 1995.

PRELIMINARY RESULTS FROM THE SPRITES94 AIRCRAFT CAMPAIGN, 2:BLUE JETS

. E. M.

Wescott, D. Sentman, D. L. Osborne, D. L.Hampton i M. J. Heavner, Geo-

physical Research Letters, vol. 22, nr 10, ss. 1209-1212, 15 V 1995.

ELIVES: LIGHTNING-INDUCED TRANSIENT LUMINOUS EVENTS IN THE LOWER JO-

NOSPHERE

. H. Fukunishi, Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, U. S.

Inan i W. A. Lyons, Geophysical Research Letters, vol. 23, nr 16, ss. 2157-

2160, 1 VIII 1996.

a

b

c

d

20 KILOMETRÓW

DANIEL L. OSBORNE

University of Alaska-Fairbanks

T∏umaczy∏

Miros∏aw ¸ukaszewski