Подробное трехмерное исследование массивного электрического разряда, поднявшегося на 50 миль в космос над грозой в Оклахоме, предоставило новую информацию о неуловимом атмосферном явлении, известном как гигантские струи. Разряд в Оклахоме был самой мощной из когда-либо изученных гигантских струй, несущих в 100 раз больше электрического заряда, чем обычная грозовая молния. Гигантская струя перенесла примерно 300 кулонов электрического заряда в ионосферу — нижний край космоса — от грозы. Типичные разряды молнии несут менее пяти кулонов между облаком и землей или внутри облаков. Восходящий разряд включал в себя относительно холодные (примерно 400 градусов по Фаренгейту) стримеры плазмы, а также очень горячие структуры, называемые лидерами, — более 8000 градусов по Фаренгейту.
«Мы смогли нанести на карту эту гигантскую струю в трех измерениях с действительно высококачественными данными», — сказал Леви Боггс, научный сотрудник Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI) и соответствующий автор статьи. «Мы смогли увидеть очень высокочастотные (VHF) источники над верхней границей облака, которые не были замечены ранее с таким уровнем детализации. Используя спутниковые и радиолокационные данные, мы смогли узнать, где находится очень горячая часть лидера находился над облаком». Боггс работал с исследовательской группой, состоящей из нескольких организаций, включая Ассоциацию космических исследований университетов (USRA), Техасский технический университет, Университет Нью-Гэмпшира, Каталонскую политехнику, Университет Дьюка, Университет Оклахомы, Национальную лабораторию сильных штормов NOAA и Лос-Аламосская национальная лаборатория. Об исследовании сообщается 3 августа в журнале Science Advances.
Стив Каммер, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Дьюка, использует электромагнитные волны, излучаемые молнией, для изучения этого мощного явления. Он управляет исследовательской площадкой, где датчики, напоминающие обычные антенны, расставлены в пустом поле, ожидая приема сигналов местных штормов. «УКВ и оптические сигналы окончательно подтвердили то, что исследователи подозревали, но еще не доказали: что УКВ-радиосигнал от молнии излучается небольшими структурами, называемыми стримерами, которые находятся на самом кончике развивающейся молнии, в то время как сильнейший электрический ток течет значительно позади этого наконечник в электропроводящем канале, называемом лидером», — сказал Каммер.
Дуг Мах, соавтор статьи из Ассоциации космических исследований университетов (USRA), сказал, что исследование было уникальным, так как определило, что 3D-местоположения оптического излучения молнии находятся намного выше вершин облаков. «Тот факт, что гигантская струя была обнаружена несколькими системами, в том числе Lightning Mapping Array и двумя геостационарными оптическими приборами молний, является уникальным событием и дает нам гораздо больше информации о гигантских струях», — сказал Мах. «Что еще более важно, это, вероятно, первый случай, когда гигантский джет был нанесен на трехмерную карту над облаками с помощью набора инструментов Geostationary Lightning Mapper (GLM)».
Гигантские джеты наблюдались и изучались в течение последних двух десятилетий, но из-за отсутствия специальной системы наблюдения для их обнаружения случаи обнаружения были редки. Боггс узнал о событии в Оклахоме от коллеги, который рассказал ему о гигантском самолете, который был сфотографирован гражданином-ученым, у которого была работающая камера для слабого освещения, 14 мая 2018 года. К счастью, это событие произошло в месте с соседней системой картографирования молний УКВ, в пределах досягаемости двух местоположений метеорадаров нового поколения (NEXRAD) и доступно для инструментов на спутниках из сети геостационарных оперативных экологических спутников (GOES) NOAA. Боггс определил, что данные из этих систем доступны, и вместе с коллегами объединил их для анализа.
«Подробные данные показали, что эти холодные стримеры начинают свое распространение прямо над вершиной облака», — пояснил Боггс. «Они распространяются вплоть до нижней ионосферы на высоту 50–60 миль, создавая прямое электрическое соединение между верхней границей облака и нижней ионосферой, которая является нижней границей космоса». Это соединение передает тысячи ампер тока примерно за секунду. Восходящий разряд перенес отрицательный заряд из облака в ионосферу, типичный для гигантских джетов. Данные показали, что по мере подъема разряда от верхней границы облаков УКВ-радиоисточники регистрировались на высотах от 22 до 45 километров (от 13 до 28 миль), а оптические излучения лидеров молний оставались вблизи верхней границы облаков на высоте от 15 до 28 миль. 20 километров (от 9 до 12 миль). Одновременные трехмерные радио- и оптические данные показывают, что ОВЧ-сети молний обнаруживают излучение короны стримера, а не лидерного канала, что имеет более широкое значение для физики молнии, чем для гигантских струй.
Почему гигантские реактивные самолеты летят в космос? Исследователи предполагают, что что-то может блокировать поток заряда вниз или к другим облакам. Записи о событии в Оклахоме показывают небольшую молниеносную активность шторма до того, как он запустил рекордно гигантский самолет. «По какой-то причине обычно происходит подавление разрядов облаков на землю», — сказал Боггс. «Происходит накопление отрицательного заряда, и тогда мы думаем, что условия в верхней части шторма ослабляют самый верхний слой заряда, который обычно положительный. избыточный отрицательный заряд в облаке». На данный момент есть много вопросов без ответов о гигантских джетах, которые являются частью класса загадочных переходных светящихся явлений. Это потому, что наблюдения за ними редки и происходят случайно — от пилотов или пассажиров самолетов, случайно увидевших их, или от наземных наблюдателей, использующих камеры ночного сканирования.
Оценки частоты гигантских струй колеблются от 1000 до 50 000 в год. О них чаще сообщалось в тропических регионах земного шара. Однако гигантский реактивный самолет из Оклахомы, который был вдвое мощнее следующего по силе, не был частью системы тропических штормов. По словам Боггса, помимо своей новизны, гигантские джеты могут повлиять на работу спутников на низкой околоземной орбите. По мере запуска большего количества этих космических аппаратов ухудшение качества сигнала и проблемы с производительностью могут стать более значительными. Гигантские джеты могут также повлиять на такие технологии, как загоризонтные радары, которые отражают радиоволны от ионосферы. Боггс связан с Исследовательским центром сильных штормов, который был создан в GTRI для разработки усовершенствованных технологий предупреждения о сильных штормах, таких как торнадо, которые распространены в Джорджии. Частью этих усилий является работа над гигантскими джетами и другими атмосферными явлениями.
