Ciekawy nocny incydent z satelitami Swarm i wyładowaniami typu „sprite”
Wszyscy znamy błyskawice, które towarzyszą silnym burzom. Podczas gdy wyładowania atmosferyczne powstają w chmurach burzowych i kierują się w stronę Ziemi, znacznie bardziej nieuchwytne typy wyładowań powstają wyżej w atmosferze, kierując się w stronę przestrzeni kosmicznej. Jakie są więc szanse na to, że ktoś sfotografuje te rzadko widywane, krótkie „przejściowe zdarzenia świetlne” (ang. “Transient Luminous Events”) dokładnie w tym samym czasie, gdy satelita będzie przelatywał w jego bliskim sąsiedztwie, a zdarzenie to pozostawi swój ślad w danych satelitarnych?
Mimo, że prawdopodobieństwo, że tak się stanie może wydawać się nikłe, to zapalonemu “łowcy piorunów”, obserwatorowi z Czeskiego Instytutu Fizyki Atmosfery, udało się uchwycić serię przejściowych świetlnych zdarzeń. Jego obserwacje nie tylko pokrywają się z pomiarami wykonanymi przez misję satelitarną ESA Swarm, ale również z pomiarami naziemnymi.
Dzięki niezwykłej koincydencji, możemy uzyskać lepsze zrozumienie, w jaki sposób tego typu wyładowania atmosferyczne rozprzestrzeniają się w przestrzeni kosmicznej. Ponadto, nowo udokumentowane odkrycia mogą przyczynić się do polepszenia naukowych modeli zjonizowanej części górnej atmosfery Ziemi – jonosfery.
Przejściowe zjawiska świetlne są zjawiskami optycznymi, które występują wysoko w atmosferze i są związane z aktywnością elektryczną w komórkach burzowych. Są one bardzo krótkie. Ich czas trwania waha się między ułamkiem milisekundy, a dwoma sekundami i są sporadycznie widoczne z Ziemi. Do rejestracji używa się, wyspecjalizowanych i czułych aparatów fotograficznych, a ponieważ emitują słabe światło, to ich rejestracja odbywa się głównie nocą.
Wśród różnych typów przejściowych zjawisk świetlnych wyróżniamy duszki (ang. sprite), dżety (ang. jets) i elfy (and. elves), a każdy z nich ma swoją własną charakterystykę.
Duszki, na przykład, są wielkoskalowymi wyładowaniami elektrycznymi, występującymi na wysokości około 50-90 km, nad aktywnymi systemami burzowymi. Pojawiają się one jako duże, ale słabe czerwone błyski towarzyszące dobrze nam znanym wyładowaniom chmury-ziemia.
Naukowcy od dawna byli zainteresowani zrozumieniem, jak pioruny propagujące się do wyższych partii jonosfery mogą powodować fluktuacje w ziemskim polu magnetycznym. Jonosfera to aktywna część atmosfery. reagującą na energię, którą absorbuje od Słońca. Gazy w jonosferze są pobudzane przez promieniowanie słoneczne do tworzenia jonów, zatem cały obszar wypełniony jest ładunkami elektrycznymi.
Artykuł opublikowany niedawno w Geophysical Research Letters opisuje, jak naukowcy z ośrodków badawczych w Polsce wykorzystali dane o polu magnetycznym z konstelacji satelitów ESA Swarm, obserwacje wyładowań atmosferycznych z geostacjonarnego satelity Geostationary Lightning Mapper oraz z naziemnego systems obserwacyjnego World Extremely Low Frequency Radiolocation Array (WERA), aby dostarczyć dowodów na istnienie powiązań między przejściowymi zjawiskami świetlnymi, a fluktuacjami pola magnetycznego w górnej jonosferze.
Ewa Słomińska, z niewielkiej firmy współpracującej z Centrum Badań Kosmicznych, wyjaśnia: „Piorun może generować fluktuacje o ultraniskiej częstotliwości, które przedostają się do górnej jonosfery. Oznacza to, że niektóre pioruny są tak silne, że wywołują zaburzenia w ziemskim polu magnetycznym i rozchodzą się setki kilometrów w górę od burzy, osiągając wysokość orbity konstelacji Swarm.
„Chociaż głównym celem satelitów Swarm jest pomiar powolnych zmian pola magnetycznego, jest oczywiste, że misja może również wykryć szybkie fluktuacje pola. Jednak satelity Swarm, są w stanie dokonać tych pomiarów tylko wtedy, gdy satelita znajduje się w bliskiej odległości od aktywnej burzy i gdy wyładowanie jest wystarczająco silne.”
Janusz Młynarczyk z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie dodał: „Dzięki trzem stacjom systemu WERA jesteśmy w stanie zlokalizować potężne wyładowania atmosferyczne występujące w dowolnym miejscu na Ziemi i zrekonstruować ich najważniejsze parametry fizyczne. Jest to możliwe dzięki bardzo niskiemu tłumieniu fal elektromagnetycznych o ekstremalnie niskich częstotliwościach (ELF) generowanych przez te wyładowania.
„Potężne fale ELF mogą nawet kilkukrotnie okrążyć kulę ziemską i nadal być widoczne na naszych odczytach. Do takich silnych źródeł należą wyładowania związane z duszkami. Skumulowana energia elektrostatyczna uwolniona i zaobserwowana przez satelity Swarm wyniosła blisko 120 GJ, co odpowiada energii wyzwolonej podczas detonacji 29 ton trotylu.
„Chociaż wiemy, że każde uderzenie pioruna niesie ze sobą dużo energii, jasne jest, że ta klasa wyładowań jest znacznie potężniejsza. Przeciętne pojedyncze wyładowanie, które jest raczej niewyczuwalne dla instrumentów Swarm, niesie energię wystarczającą do naładowania 20 samochodów elektrycznych, ale energia wytworzona przez przejściowe zdarzenie świetlne wystarczyłaby do naładowania ponad 800 pojazdów.”
Niezwykłym aspektem badań, jest fakt, że weryfikacja obserwacji satelitarnych, była możliwa, dzięki niezwykłej pasji jednego z członków zespołu naukowego. Szeroki materiał dokumentujący duszki, dżety i elfy, to właśnie zasługa pasjonaty Martina Popka. Jego zdjęcia okazały się bardzo cenne dla badań zespołu, ponieważ zbiegły się z pomiarami wykonanymi przez satelitę Swarm oraz przez naziemny system obserwacyjny.
Roger Haagmans, naukowiec misji ESA Swarm, powiedział: „To zdumiewające, że Martinowi udaje się uchwycić na kamerze tak ulotne wydarzenia, ale naprawdę niezwykłe jest to, że jego poświęcenie dla tego rodzaju fotografii, zbiegło się w czasie z pomiarami z naszej misji Swarm. Jego zdjęcia nadają badaniom dodatkowy wymiar i z pewnością czerpiemy korzyści z jego zaangażowania w spędzaniu czasu na zewnątrz w zimnie i ciemności!”
