Hace 20 años, en la noche del 5 al 6 de julio de 1989, tuvo lugar un evento importante en la historia de la exploración del planeta Tierra. John Randolph Winkler, un profesor jubilado, veterano de la NASA de 73 años, apuntó con una cámara de video de alta sensibilidad a las nubes de tormenta y luego, mirando la grabación cuadro por cuadro, descubrió dos destellos brillantes, que, a diferencia de los relámpagos, no bajaban al suelo, sino a ionosfera. Entonces se descubrieron los sprites, la mayor de las descargas a gran altitud en la atmósfera de la Tierra. Confirmaron claramente la existencia de un circuito eléctrico global en nuestro planeta y brindaron nuevas oportunidades para su estudio.
Averigüemos más sobre esto …
Las descargas registradas por John Winkler partieron de una altura de 14 kilómetros, y sus dimensiones superaron los 20 kilómetros. El mecanismo que condujo a su aparición no estaba claro, y se necesitó mucho coraje científico para anunciar la descarga eléctrica que se elevaba desde los límites de la troposfera a tal altura.
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Para obtener evidencia más convincente, un entusiasta Winkler esperó hasta que el huracán Hugo azotó Minnesota y en la noche del 22 al 23 de septiembre volvió a registrar muchas descargas similares a gran altitud sobre nubes de tormenta. Curiosamente, realizó formalmente esta investigación como aficionado, ya que no se incluyó en ningún programa científico. Pero Winkler, por supuesto, no era un aficionado y actuó con decisión, como un hombre claramente consciente de su misión. De su trabajo anterior en la NASA, tiene una cámara de video de alta velocidad defectuosa. Persuadió al decano del departamento de física de la Universidad de Minnesota para que asignara 7.000 dólares para repararlo e instaló equipos para analizar los registros en su casa.
Las imágenes únicas de las descargas gigantes asustaron a Winkler tanto como lo hicieron feliz. ¿Qué pasa si tal descarga golpea el avión? Y el científico se dirigió a sus colegas de la NASA con una advertencia. Empezaron a dudar. ¿Qué son las descargas? Pero por deferencia al pasado de Winkler, echaron un vistazo a las grabaciones de los vuelos del transbordador espacial. Y no podían creer lo que veían: se encontraron más de una docena de tales descargas en las películas. Winkler lo hizo bien. Como profesional, llevó el asunto a su conclusión lógica: publicaciones en las principales revistas científicas Geophysical Research Letters (1989) y Science (1990).
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Los artículos literalmente conmocionaron a los especialistas en astronomía, electricidad atmosférica, radiofísica, acústica atmosférica, física de descargas de gas y seguridad aeroespacial. Después de estas publicaciones, la NASA ya no pudo ignorar la posible amenaza a las naves espaciales y comenzó un estudio detallado de las descargas a gran altitud. Durante los tres años de preparación para este trabajo, Winkler fue consultado repetidamente, pero nunca fue incluido en el programa en sí.
En la primera noche de observaciones, el 7 de julio de 1993, en una estación científica cerca de Fort Collins (Colorado), los investigadores sorprendidos registraron más de 240 descargas a gran altitud. La noche siguiente, se desplegó un laboratorio de vuelo dedicado a bordo del avión DC-8 para descartar un error en la determinación de la altitud. Los resultados superaron todas las expectativas: se detectaron enormes llamaradas en altitudes de al menos 50-60 kilómetros. En honor al inquieto Pak de "El sueño de una noche de verano" de Shakespeare, se les dio el nombre de duendes, es decir, espíritus del aire. Naturalmente, surgió la pregunta: ¿por qué no sabían antes de estas descargas, si cada poderoso frente de tormenta genera decenas de ellas?
El análisis de la literatura ha demostrado que durante cientos de años muchas personas han visto descargas inusuales y muy grandes por encima de las nubes. Fueron llamados rayos de cohetes, descargas estratosféricas nubladas, rayos ascendentes e incluso rayos de nube al espacio. Pero en ausencia de evidencia confiable, los extraños informes de testigos oculares simplemente fueron ignorados. Incluso dejaron de lado a un especialista tan conocido y honrado en el campo de la electricidad atmosférica como el premio Nobel Charles Thomson Wilson, quien escribió sobre un fenómeno similar en su artículo en 1956. Se necesitó el estilo, la experiencia, la perseverancia y la valentía del profesor John Winkler, de modo que "esto no se puede" convertir muy rápidamente en "pero quién no lo sabe". Ahora, en numerosos videos en Internet, puede examinar estas categorías en detalle.
John Winkler murió en 2001. No hizo más trabajo en las pendientes de gran altitud, aunque es difícil creer que no quisiera, después de tal o cual éxito. Su publicación en Science fue mencionada regularmente, pero aparentemente no se incluyó en los proyectos. El obituario escrito por sus colegas muestra resentimiento hacia él. Pero en vano. Los duendes rojos y púrpuras se saludan a John Randolph Winkler todos los días porque enseñó a la gente a verlos.
Pronto, los investigadores descubrieron todo un espectáculo de luces que se desarrollaba en la atmósfera superior por encima de las tormentas eléctricas principales. Los actores principales en él (en orden de abajo hacia arriba): chorros azules, que a veces se llaman gnomos (ya que están en la parte inferior), en el medio hay halos y sprites rojo-púrpura, y encima de ellos hay anillos rojizos: elfos flotando en la altura. Pero, por supuesto, no debemos olvidar al director detrás de la grandiosa actuación: estos son los conocidos relámpagos y nubes de tormenta. En realidad, no hace mucho tiempo la compañía era más numerosa, pero los investigadores se deshicieron gradualmente de espíritus, medusas (algunos tipos de duendes) y otras "criaturas vivientes" sonoras.
Cabe señalar que los ejercicios con nombres hermosos no son solo divertidos al estilo de "bromas de física", como podría parecer a primera vista. Como en el mundo del espectáculo, en la ciencia la promoción de ideas y tendencias juega un papel importante, porque aquí y allá hay una lucha por los recursos. El campo de la ciencia que escucha el público suele recibir una financiación más generosa. Recuerde al menos la nanotecnología, de la que todo el mundo está hablando, pero nadie puede explicar realmente qué es y por qué es necesario destinar tanto dinero allí. Pero volvamos a nuestra actuación y presentemos a todos con más detalle a la audiencia más respetable.
Los elfos son los más efímeros y efímeros de la familia de las alturas. Estos brillantes anillos rojo violeta aparecen en la ionosfera inferior a altitudes de 80-100 kilómetros. En menos de un milisegundo, el resplandor, que aparece en el centro, se expande a 300-400 kilómetros y se desvanece. Los elfos no se han estudiado en gran detalle, probablemente porque no causan mucha controversia y no prometen avances serios en la comprensión de la naturaleza de las descargas atmosféricas. Nacen tres diezmilésimas de segundo (300 microsegundos) después de que un fuerte rayo caiga desde una nube de tormenta hacia el suelo. Su tronco se convierte en una "antena transmisora", de la que parte una potente onda electromagnética esférica de muy baja frecuencia a la velocidad de la luz. En 300 microsegundos, llega a una altitud de 100 kilómetros, donde excita el resplandor rojo violeta de las moléculas de nitrógeno. Cuanto más lejos va la olacuanto más ancho se vuelve el anillo, hasta que se desvanece de la fuente.
Los chorros azules, o gnomos, son las criaturas más misteriosas, raras y difíciles de observar en el conjunto de nuevas descargas a gran altitud. El gnomo parece un cono invertido estrecho azul, que comienza desde el borde superior de una nube de tormenta y, a veces, alcanza los 40 kilómetros de altura. La velocidad de propagación de los jets azules es de 10 a 100 km / s. Pero lo más extraño es que su aparición no siempre se asocia con la caída de rayos visibles. En las altitudes desde las que se lanzan los chorros, la presión sigue siendo relativamente alta y no es de extrañar que sean de color azul. Así es como brillan los rayos, la descarga de corona en los cables, la descarga de chispas e incluso las llamas de alta temperatura. Este es también el brillo de las moléculas de nitrógeno, pero no en la franja rojo-violeta, como en el caso de los elfos, sino en azul ultravioleta.
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Además de los chorros ordinarios, los llamados arrancadores azules a veces se desprenden del borde superior de la nube. No se elevan por encima de los 30 kilómetros. Algunos científicos creen que esto es solo un rayo dirigido hacia arriba en un área donde la presión cae rápidamente y, por lo tanto, los arrancadores se expanden mucho más que los rayos convencionales. Otros los consideran jets subdesarrollados.
Pero el tipo más interesante de jets azules se ha llamado jets gigantes. Partiendo no muy lejos de la superficie de la Tierra, alcanzan los 90 kilómetros de altura. El interés de los geofísicos en los chorros gigantes para igualar su tamaño, porque estas descargas hacen un "vuelo sin escalas" desde la troposfera directamente a la ionosfera. Sin embargo, son extremadamente raros y no se han registrado de manera confiable más de una docena de veces. Al mismo tiempo, viven una fracción de segundo, lo que, en principio, permite que se noten a simple vista.
La teoría del jet apenas está dando sus primeros pasos. Ni siquiera está claro todavía cómo se ve este fenómeno. Si por su naturaleza están cerca del canal luminoso del rayo en la etapa de desarrollo, entonces queda claro por qué el nacimiento de un chorro no está asociado con el rayo: él mismo es un rayo. Pero, quizás, una analogía más cercana es la descarga dentro de una nube de tormenta, que energiza el canal del rayo. En este caso, será aún más difícil comprender la naturaleza de los chorros, ya que la teoría de tales descargas se encuentra en una etapa temprana de desarrollo.
El mayor número de observaciones y publicaciones está dedicado a los sprites rojos. Estas son verdaderas estrellas del pop entre las descargas atmosféricas de gran altitud. A veces parece que el interés por ellos es tan acalorado como por los cantantes populares. ¿Por qué merecían tanta atención? Probablemente el punto es que son fáciles de observar (si, por supuesto, sabes que es posible). Decenas de miles de sprites nacen en el mundo todos los días, y es sorprendente que no se hayan notado durante tanto tiempo.
Los sprites son llamaradas volumétricas muy brillantes que ocurren a una altitud de 70 a 90 kilómetros y descienden de 30 a 40 kilómetros, y a veces más. En la parte superior, su ancho alcanza en ocasiones decenas de kilómetros. Estos son los más voluminosos de los vertidos a gran altitud. Como los elfos, los duendes están estrechamente relacionados con los rayos, pero no todos. La mayoría de los rayos caen desde la parte cargada negativamente de la nube (en promedio, está más cerca del suelo). Pero el 10% de los rayos que golpean el suelo comienzan en el área de una carga positiva, y dado que el área principal de ubicación de una carga positiva es mayor que la de una negativa, los rayos positivos son más poderosos. Se cree que descargas tan poderosas generan sprites que parpadean en la mesosfera aproximadamente una centésima de segundo después de una descarga de nube a tierra.
El color rojo púrpura de los sprites, como el de los elfos, está asociado con el nitrógeno atmosférico. La parte superior del sprite brilla uniformemente, pero por debajo de los 70 kilómetros, la descarga parece estar tejida por canales de cientos de metros de espesor. Su estructura es la característica más interesante de los sprites para estudiar. Los canales se denominan serpentinas por analogía con las conocidas descargas de agujas en los bordes afilados de los objetos en las tormentas y en los cables de alto voltaje. Es cierto que el grosor de las serpentinas terrestres es del orden de un milímetro, y en los sprites son 100.000 veces más grandes. Todavía no está claro por qué el diámetro de las serpentinas aumenta tanto, mucho más rápido que la presión del aire disminuye con la altura.
El halo es un resplandor uniforme de color púrpura rojizo a una altitud de unos 80 kilómetros. El motivo de la descarga es aparentemente el mismo que el de la parte superior de los sprites, pero a diferencia de ellos, el halo siempre aparece directamente sobre el relámpago. Los Sprites se toman la libertad de estar en algún lado. Parece haber alguna conexión entre los sprites y los halos, pero el mecanismo aún no está claro. A veces aparecen juntas, a veces por separado. Quizás el halo sea la parte superior de los sprites, cuando la fuerza del campo eléctrico no fue suficiente para que la descarga se extendiera al aire más denso de la parte inferior.
Según el Mapa Geográfico de Tormentas Eléctricas, los residentes de las zonas ecuatoriales y tropicales de la Tierra tienen las mayores posibilidades de ver sprites. Es en esta área donde ocurren hasta el 78% de todas las tormentas eléctricas. Los residentes de Rusia también pueden observar sprites. El pico de tormentas eléctricas en nuestro país cae en julio-agosto. Fue en este momento que los amantes de la astronomía pueden ver un fenómeno tan hermoso como los sprites.
De acuerdo con el Manual de Observación de Sprites y Chorros Gigantes de Estados Unidos, para poder ver los sprites, el observador debe estar aproximadamente a 100 kilómetros del epicentro de la tormenta. Para observar los chorros, debe apuntar su óptica a 30-35 grados hacia el área de la tormenta. Luego podrá observar parte de la ionosfera a una altitud de hasta 50 kilómetros, es en esta zona donde aparecen los chorros con mayor frecuencia. Para observar los sprites, debe apuntar los binoculares en un ángulo de 45-50 grados, que corresponderá al área del cielo a una altitud de aproximadamente 80 km, el lugar donde nacen los sprites.
Para un estudio mejor y más detallado de los sprites, los jets y aún más los elfos, es mejor que el observador utilice un equipo de cine especial, que permitirá una grabación detallada de las llamaradas celestiales. El mejor momento para buscar sprites en Rusia es desde mediados de julio hasta mediados de agosto.
Los sprites, como los relámpagos, se encuentran no solo en la Tierra, sino también en otros planetas del sistema solar. Presumiblemente, fueron los sprites los que fueron registrados por los vehículos de investigación espacial durante las tormentas severas en Venus, Saturno y Júpiter.
Los duendes y elfos aparecen en altitudes tan elevadas debido a la fuerte ionización del aire por el polvo galáctico. A una altitud de más de 80 kilómetros, la conductividad de la corriente es diez mil millones de veces mayor que en las capas superficiales de la atmósfera.
El nombre "duendes" proviene del nombre de los espíritus del bosque, a los que se hace referencia en la comedia de William Shakespeare "Sueño de una noche de verano".
Los sprites eran conocidos por la humanidad mucho antes de 1989. La gente ha expresado varias hipótesis sobre la naturaleza de este fenómeno, incluido el hecho de que los destellos de luz son naves espaciales extraterrestres. Fue solo después de que John Winkler pudo capturar cuadros de sprites en la ionosfera que los científicos demostraron que son de origen eléctrico.
El color de los sprites, los jets y los elfos difiere según la altura a la que aparecen. El hecho es que se concentra más aire en la atmósfera cercana a la Tierra, mientras que se observa una alta concentración de nitrógeno en las capas superiores de la ionosfera. El aire arde con llama azul y blanca, nitrógeno - rojo. Por esta razón, los chorros debajo de los sprites son predominantemente azules, mientras que los propios sprites y, más arriba, los elfos, son rojizos.
Y aquí hay un video de un fenómeno muy raro: un rayo ascendente:
