Свечения в небе
«Спрайт», «эльфы», «синие струи» — такими странными полумистическими названиями учёные окрестили самые редкие атмосферные явления нашей планеты. Загадочные плазменные свечения, живущие тысячные доли секунды и простирающиеся на сотни километров. Увидеть этих атмосферных призраков практически невозможно: настолько они редки и стремительны. Их мир находится так высоко над землёй, что граничит с ближним космосом, а природа — не изучена до конца. Но они вполне реальны и по-настоящему прекрасны.
Веками люди замечали высоко в небе загадочные свечения — красивые, почти божественные, иногда жуткие и пугающие. В былые времена их приравнивали к проискам нечистой силы или к божественному назиданию бренному
человечишке, отчего маститые учёные мужи не желали тратить время на суеверные глупости и попросту их игнорировали. Лишь во второй половине XX века учёные заинтересовались ими по-настоящему.
Некие субстанции, похожие на лучи, бьющие в пространство, шары, фонтаны и рассеивающиеся кольца света иногда наблюдали пилоты и космонавты, но редкость и мимолётность подобных явлений становились непреодолимым препятствием на пути изучения их природы. Нередко их и вовсе принимали за НЛО.
Впервые зафиксировать одно из явлений (предположительно это были спрайты) удалось лишь в 1989 году, и то случайно. 6 июля физики из Миннесотского университета (США) тестировали новую аппаратуру — высокочувствительную камеру для изучения звёздного неба. По чистой случайности в объектив попали странные воронкообразные вспышки, порождённые далёкой грозой. Они длились всего миллисекунды, но масштабность неизвестных науке явлений потрясала воображение — каждый сполох простирался как минимум на 30 км. Те мгновения стали началом масштабной охоты за небесными призраками.
Первые чёткие изображения атмосферных огней удалось получить лишь полтора десятилетия спустя — в 2005 году — с помощью специальной камеры со скоростью съёмки 5000 кадров в секунду. По мере накопления фактического материала выяснилось, что свечения не однотипны, их можно классифицировать. Так учёные открыли медузообразные шары «спрайты», напоминающие голубоватые лучи «синие струи (джеты)», красные фонтаны «тайгеров» и эфемерные кольца «эльфов».
Обязательное условие возникновения атмосферных огней — сильные грозы. Большинство их них наблюдается в мезосфере на высоте 50-130 км, тогда как обычные молнии практически никогда не «забираются» выше 16 км. Не говоря уже о том, что высотные плазменные свечения поистине огромны. Живя доли секунд, они могут вырастать до сотен километров — в десятки раз длиннее линейных молний. Они удивительны хотя бы тем, что их нельзя причислить ни к молниям, ни к полярным сияниям. Это явления совершенно иной природы.
Давайте обратимся к терминологии. Что такое молния? Это высокоэнергетический искровой разряд, горячий и разрушительный. Полярное сияние — это низкоэнергетическое свечение верхних слоёв атмосферы, возникающее при взаимодействии магнитосферы Земли с частицами солнечного ветра, потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.
Обычная молния может запросто убить человека, а вот полярное сияние сможет навредить разве что сопутствующей космической радиацией, от которой обитателей Земли благополучно защищает магнитное поле, окружающее нашу планету словно щит. Рассматриваемые же явления в корне иные. Грубо говоря, атмосферные огни относятся к высотным молниям, хотя на деле таковыми не являются. Разница между ними такая же, как между декоративной плазменной лампой и дугой сварочного аппарата. Они, как и полярные сияния, являются разрядами холодной плазмы. Но в отличие от Aurora Borealis (северное сияние), их можно наблюдать в любой точке земного шара, и возникают они не под воздействием лучей извне — их порождает сама планета.
«Принято считать, что погодные явления, которые мы ежедневно наблюдаем, и процессы, происходящие в верхней части атмосферы, существуют сами по себе, — говорит сотрудник НАСА Карен Фокс. — Существование высотных молний доказывает, что обе околоземные сферы взаимосвязаны, и ещё предстоит выяснить, как между ними происходит обмен энергией».
Спрайты
Исторически спрайты стали первыми пташками будущей плеяды плазменных атмосферных свечений. Спрайты (от англ. sprite — «фея») представляют собой колоссальные шарообразные потоки ионизированной плазмы, возникающие над грозовыми фронтами и направленные вертикально вверх. Внешне они выглядят как вспышки красно-оранжевого или синего сияния, разделяющиеся на «тело», многочисленные нижние «ответвления» и направленные вверх короткие «свечи». Из-за этого их иногда сравнивают с медузами, разбросавшими по небу свои изящные щупальца. Красные спрайты, лишённые шарообразного утолщения, иногда называют «тайгерами», но это не совсем соответствует действительности. Тайгеры обычно возникают на меньших высотах, отличаются по светимости и имеют иное внешнее строение.
Спрайты обычно появляются группами, образуя кольцевые скопления, и совершают «танцующие» движения вниз-вверх, из-за чего их и назвали в честь фей — игривых светящихся существ, которые, если верить старым преданиям, любили собираться на полянах и плясать, устраивая сложный хоровод.
С земли спрайты обычно кажутся небольшими цветными огоньками в небе, на самом же деле они огромны. Высота и дальность, на которых становится возможным наблюдение огней, искажает реальный масштаб их величия. Даже самый скромный спрайт имеет 60 км в длину и 100 км в диаметре.
До недавнего времени изучение плазменных медуз было возможно только при помощи камер на вершинах гор, но полученные данные были скудны и ненадёжны. Сегодня необходимое оборудование размещено на МКС, что позволяет без помех наблюдать за огромными вспышками, вырывающимися из облаков. С помощью ASIM (монитор атмосферно-космических взаимодействий) Европейское космическое агентство надеется найти закономерности частоты появления спрайтов и наконец понять их природу.
Эльфы
Нередко спутниками спрайтов на небе становятся эльфы. Не стоит обманываться этим названием, оно было придумано спустя много лет после того, как мир перестал верить в чудеса. «Эльф» — это вольная транскрипция ELVES, Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources, что в буквальном переводе означает «излучение света и очень низкочастотные возмущения из-за импульса от электромагнитного источника». Вот такие они, современные сказки.
Ионосферные эльфы представляют собой расходящиеся кольца красноватого свечения, распространяющиеся подобно кромке ударной волны. Они появляются вокруг спрайтов и особенно мощных штормов на высотах, превышающих 100 км. Их жизнь мимолётна — всего несколько миллисекунд.
Учёные считают, что механизм их свечения связан с излучением возбуждённых молекул азота, которые получают энергию от электронов, ускорившихся из-за разрядов в нижележащем шторме. Что их связывает со спрайтами и существует ли какая-то закономерность их сосуществования — пока неясно.
Синие струи
Ещё один феномен — синие струи (blue jets). Они также образуются в процессе вытягивания электронов из грозовых облаков, но, в отличие от спрайтов, для возникновения которых требуется долгий медленный ток, джетам необходим более мощный направленный импульс. Из всех плазменных эффектов синие струи образуются ниже всех, непосредственно над грозовыми тучами. Рождаясь в активных штормовых центрах, струи поднимаются на высоту 40-50 км со скоростью около 100 км/с, где начинают постепенно рассеиваться и затухать. «Живут» они дольше, чем спрайты, но и наблюдаются реже, что существенно усложняет их исследование. Доподлинно не известно, являются ли они формой высотных молний или плазменными мезосферными явлениями. Учёные склоняются в пользу последних, но доказательства этому ещё предстоит найти.
Стивы
Знания об атмосферных огнях пока крайне скудны. Очередное доказательство тому — недавнее открытие нового типа излучения. В 2017 году Крис Ратцлафф, член любительской группы исследователей полярных сияний Alberta Aurora Chasers, наблюдал нетипичные светлые полосы на ночном небе. Крис и его соратники посчитали, что этот эффект вызван положительно заряженным полярным сиянием, и называли его «протонные дуги».
Когда фотографии любителей попали в руки профессору физики из Университета Калгари (Канада) Эрику Доновану, выяснилось, что за непримечательным на первый взгляд росчерком на фоне звёзд скрывалось неизвестное науке явление. С помощью данных спутника Swarm Донован выяснил, что свечение было вызвано 25-километровой лентой раскалённого до 3000 С газа, находившейся на высоте 300 км и двигавшейся со скоростью 6 км/с. В отличие от своих стремительных собратьев, оно может длиться более часа и носит сезонный характер, появляясь преимущественно с марта по сентябрь. Открытие получило название «Стив» от сокращения Strong Thermal Emission Velocity Enhancement (с англ. «высокотемпературное ускоряющееся излучение»). Точнее, наоборот. Сухая научная аббревиатура была позже искусственно подогнана под оригинальное название, данное явлению первооткрывателем. Ратцлафф же окрестил свечение Стивом в шутку, процитировав мультфильм «Лесная братва», где герои сталкиваются с чем-то неизвестным и решают дать ему имя «Стив».
Само существование этих внешне простых мимолётных призраков может изменить представление науки об атмосфере и электромагнитных явлениях нашей планеты. Земля — это не просто намагниченный кусок скалы, покрытый слоем газовой смеси. Это практически живой организм, мир сложных фундаментальных взаимодействий, длящихся доли мгновений, но существующих миллиарды лет. Даже при нынешнем уровне развития технологий учёные узнали о плазменных атмосферных свечениях очень мало. Практически ничего. Прямо сейчас у нас над головой происходят удивительные явления, доказывающие: если что-то кажется «слишком простым», значит, мы в этом ещё ничего не понимаем.
