Il y a 20 ans, dans la nuit du 5 au 6 juillet 1989, un événement important a eu lieu dans l'histoire de l'exploration de la planète Terre. John Randolph Winkler, professeur à la retraite et vétéran de la NASA âgé de 73 ans, a visé une caméra vidéo haute sensibilité sur les nuages d'orage, puis, en regardant l'enregistrement image par image, a découvert deux flashs brillants qui, contrairement à la foudre, ne sont pas descendus au sol, mais ionosphère. Ainsi, des sprites ont été découverts - le plus grand des rejets à haute altitude dans l'atmosphère terrestre. Ils ont clairement confirmé l'existence d'un circuit électrique global sur notre planète et fourni de nouvelles opportunités pour son étude.
Découvrons-en plus à ce sujet …
Les rejets enregistrés par John Winkler partaient d'une hauteur de 14 kilomètres et leurs dimensions étaient de plus de 20 kilomètres. Le mécanisme qui a conduit à leur apparition n'était pas clair et il a fallu beaucoup de courage scientifique pour annoncer une décharge électrique s'élevant des frontières de la troposphère à une telle hauteur.
Pour obtenir des preuves plus convaincantes, un enthousiaste Winkler a attendu que l'ouragan Hugo frappe le Minnesota et, dans la nuit du 22 au 23 septembre, a de nouveau enregistré de nombreux décharges similaires à haute altitude au-dessus des nuages d'orage sur vidéo. Fait intéressant, il a officiellement mené cette recherche en amateur, car elle n'était incluse dans aucun programme scientifique. Mais Winkler, bien sûr, n'était pas un amateur et a agi de manière décisive, comme un homme clairement conscient de sa mission. De son travail passé à la NASA, il a une caméra vidéo haute vitesse défectueuse. Il a persuadé le doyen du département de physique de l'Université du Minnesota d'allouer 7 000 $ pour le réparer et a installé du matériel pour analyser les dossiers dans sa maison.
Les images uniques des décharges géantes effrayaient Winkler autant qu'elles le rendaient heureux. Et si une telle décharge frappe l'avion? Et le scientifique s'est tourné vers ses collègues de la NASA avec un avertissement. Ils ont commencé à douter. Quels sont les rejets? Mais par respect pour le passé de Winkler, ils ont jeté un coup d'œil aux enregistrements des vols de la navette spatiale. Et ils n'en croyaient pas leurs yeux: plus d'une douzaine de ces décharges ont été retrouvées sur les films. Winkler a bien compris. En tant que professionnel, il a amené l'affaire à sa conclusion logique - des publications dans les principales revues scientifiques Geophysical Research Letters (1989) et Science (1990).
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Les articles ont littéralement choqué les spécialistes de l'astronomie, de l'électricité atmosphérique, de la radiophysique, de l'acoustique atmosphérique, de la physique des décharges gazeuses et de la sécurité aérospatiale. Après ces publications, la NASA ne pouvait plus ignorer la menace potentielle pour les vaisseaux spatiaux et a commencé une étude détaillée des décharges à haute altitude. Au cours des trois années de préparation de ce travail, Winkler a été consulté à plusieurs reprises, mais n'a jamais été inclus dans le programme lui-même.
Lors de la toute première nuit d'observations, le 7 juillet 1993, dans une station scientifique près de Fort Collins (Colorado), des chercheurs surpris ont enregistré plus de 240 décharges à haute altitude. La nuit suivante, un laboratoire de vol dédié à bord de l'avion DC-8 a été déployé pour écarter une erreur dans la détermination de l'altitude. Les résultats ont dépassé toutes les attentes: d'énormes fusées éclairantes ont été détectées à des altitudes d'au moins 50 à 60 kilomètres. En l'honneur de l'agitation Pak de "A Midsummer Night's Dream" de Shakespeare, on leur a donné le nom de sprites, c'est-à-dire d'esprits de l'air. Naturellement, la question s'est posée: pourquoi ne connaissaient-ils pas ces décharges auparavant, si chaque puissant front d'orage en génère des dizaines?
L'analyse de la littérature a montré qu'au cours des centaines d'années, de nombreuses personnes ont vu des décharges inhabituelles et très importantes au-dessus des nuages. On les appelait des éclairs de fusée, des décharges stratosphériques nuageuses, des éclairs ascendants et même des éclairs nuage-espace. Mais en l'absence de preuves fiables, d'étranges rapports de témoins oculaires ont tout simplement été ignorés. Ils ont même écarté un spécialiste aussi connu et honoré dans le domaine de l'électricité atmosphérique que le lauréat du prix Nobel Charles Thomson Wilson, qui a écrit sur un phénomène similaire dans son article en 1956. Il a fallu le flair, l'expérience, la persévérance et l'intrépidité du professeur John Winkler, pour que «cela ne puisse pas être» très rapidement transformé en «mais qui ne le sait pas». Maintenant, sur de nombreuses vidéos sur Internet, vous pouvez examiner ces catégories en détail.
John Winkler est décédé en 2001. Il n'a pas fait plus de travail sur les pentes de haute altitude, même s'il est difficile de croire qu'il ne voulait pas - après tel ou tel succès. Sa publication dans Science a été régulièrement mentionnée, mais apparemment pas incluse dans les projets. La nécrologie écrite par ses collègues montre du ressentiment à son égard. Mais en vain. Des sprites rouges et violets sont salués à John Randolph Winkler chaque jour parce qu'il a appris aux gens à les voir.
Bientôt, les chercheurs ont découvert tout un spectacle de lumière se déroulant dans la haute atmosphère au-dessus des orages de plomb. Les principaux acteurs (dans l'ordre de bas en haut): les jets bleus, parfois appelés gnomes (car ils sont en bas), au milieu se trouvent des sprites et des halos rouge-violet, et au-dessus d'eux se trouvent des anneaux rougeâtres - des elfes planant dans la hauteur. Mais, bien sûr, nous ne devons pas oublier le réalisateur derrière la performance grandiose - ce sont les nuages d'orage et les éclairs bien connus. En fait, il n'y a pas longtemps, la troupe était plus nombreuse, mais les chercheurs se sont progressivement débarrassés des esprits, des méduses (certains types de lutins) et d'autres «créatures vivantes» sonores.
Il convient de noter que les exercices avec de beaux noms ne sont pas seulement amusants dans le style de "plaisanterie physique", comme cela peut paraître à première vue. Comme dans le show business, en science, la promotion des idées et des tendances joue un rôle important, car ici et là il y a une lutte pour les ressources. Le domaine scientifique qui est entendu par le public est généralement plus généreusement financé. Rappelez-vous au moins la nanotechnologie, dont tout le monde parle, mais personne ne peut vraiment expliquer de quoi il s'agit et pourquoi tant d'argent doit y être consacré. Mais revenons à notre performance et présentons tout le monde plus en détail au public le plus respectable.
Les elfes sont les plus éphémères et les plus éphémères de la famille des hautes altitudes. Ces anneaux rouge-violet brillants apparaissent dans la basse ionosphère à des altitudes de 80 à 100 kilomètres. En moins d'une milliseconde, la lueur, apparaissant au centre, s'étend à 300-400 kilomètres et s'estompe. Les elfes n'ont pas été étudiés en détail, probablement parce qu'ils ne suscitent pas beaucoup de controverse et ne promettent pas de progrès sérieux dans la compréhension de la nature des rejets atmosphériques. Ils naissent trois dix-millièmes de seconde (300 microsecondes) après qu'un fort éclair vient d'un nuage d'orage dans le sol. Son tronc devient une "antenne émettrice", à partir de laquelle une puissante onde électromagnétique sphérique de très basse fréquence démarre à la vitesse de la lumière. En 300 microsecondes, il arrive à une altitude de 100 kilomètres, où il excite la lueur rouge-violet des molécules d'azote. Plus la vague va loinplus l'anneau devient large, jusqu'à ce qu'il s'éloigne de la source.
Les jets bleus, ou gnomes, sont les créatures les plus mystérieuses, rares et difficiles à observer dans l'ensemble des nouvelles décharges à haute altitude. Le gnome ressemble à un cône inversé étroit bleu, partant du bord supérieur d'un nuage d'orage et atteignant parfois 40 kilomètres de hauteur. La vitesse de propagation des jets bleus est de 10 à 100 km / s. Mais le plus étrange, c'est que leur apparence n'est pas toujours associée à des coups de foudre visibles. Aux altitudes à partir desquelles les jets sont lancés, la pression est encore relativement élevée, et il n'est pas étonnant qu'ils soient bleus. C'est ainsi que la foudre, la décharge corona sur les fils, la décharge d'étincelle et même les flammes à haute température brillent. C'est aussi la lueur des molécules d'azote, mais pas dans la bande rouge-violet, comme dans le cas des elfes, mais dans le bleu ultraviolet.
En plus des jets ordinaires, des démarreurs dits bleus se détachent parfois du bord supérieur du nuage. Ils ne dépassent pas 30 kilomètres. Certains scientifiques pensent qu'il ne s'agit que d'un éclair dirigé vers le haut dans une zone où la pression chute rapidement, et donc les démarreurs se dilatent beaucoup plus que la foudre conventionnelle. D'autres les considèrent comme des jets sous-développés.
Mais le type le plus intéressant de jets bleus a été appelé jets géants. Commençant pas très loin de la surface de la Terre, ils atteignent 90 kilomètres de hauteur. L'intérêt des géophysiciens pour des jets géants à la hauteur de leur taille, car ces rejets effectuent un "vol sans escale" de la troposphère directement à l'ionosphère. Cependant, ils sont extrêmement rares et n'ont pas été enregistrés de manière fiable plus d'une douzaine de fois. En même temps, ils vivent une fraction de seconde, ce qui, en principe, leur permet d'être remarqués à l'œil nu.
La théorie des jets ne fait que ses premiers pas. On ne sait même pas encore à quoi ressemble ce phénomène. Si, de par leur nature, ils sont proches du canal lumineux de la foudre en phase de développement, alors on comprend pourquoi la naissance d'un jet n'est pas associée à la foudre: elle est elle-même la foudre. Mais, peut-être, une analogie plus proche est la décharge à l'intérieur d'un nuage d'orage, qui dynamise le canal de la foudre. Dans ce cas, il sera encore plus difficile de comprendre la nature des jets, car la théorie de ces décharges est à un stade précoce de développement.
Le plus grand nombre d'observations et de publications est consacré aux sprites rouges. Ce sont de véritables stars de la pop parmi les décharges atmosphériques à haute altitude. Parfois, il semble que l'intérêt pour eux est tout aussi surchauffé que pour les chanteurs populaires. Pourquoi méritaient-ils une telle attention? Le fait est probablement qu'ils sont faciles à observer (si, bien sûr, vous savez que c'est possible). Des dizaines de milliers de sprites sont nés sur le globe chaque jour, et c'est incroyable qu'ils n'aient pas été remarqués depuis si longtemps.
Les sprites sont des éruptions volumétriques très lumineuses qui se produisent à une altitude de 70 à 90 kilomètres et descendent de 30 à 40 kilomètres, et parfois plus. Dans la partie supérieure, leur largeur atteint parfois des dizaines de kilomètres. Ce sont les plus volumineux des rejets à haute altitude. Comme les elfes, les sprites sont étroitement liés à la foudre, mais pas tous. La plupart des éclairs proviennent de la partie chargée négativement du nuage (en moyenne, elle est plus proche du sol). Mais 10% des éclairs frappant le sol partent de la zone d'une charge positive, et comme la zone principale de l'emplacement d'une charge positive est plus grande que celle d'une charge négative, alors la foudre positive est plus puissante. On pense que de telles décharges puissantes génèrent des sprites qui clignotent dans la mésosphère environ un centième de seconde après une décharge nuage-terre.
La couleur rouge-violet des sprites, comme celle des elfes, est associée à l'azote atmosphérique. La partie supérieure du sprite brille uniformément, mais en dessous de 70 kilomètres, la décharge semble être tissée à partir de canaux de centaines de mètres d'épaisseur. Leur structure est la caractéristique la plus intéressante des sprites à étudier. Les canaux sont appelés banderoles par analogie avec les décharges d'aiguilles bien connues sur les bords tranchants des objets dans les orages et sur les fils à haute tension. Certes, l'épaisseur des banderoles terrestres est de l'ordre du millimètre, et chez les sprites, elles sont 100 000 fois plus grandes. On ne sait pas encore pourquoi le diamètre des banderoles augmente autant - beaucoup plus vite que la pression de l'air diminue avec la hauteur.
Le halo est une lueur uniforme rouge-violet à une altitude d'environ 80 kilomètres. La raison de la décharge est apparemment la même que pour le haut des sprites, mais contrairement à eux, le halo apparaît toujours directement au-dessus de l'éclair. Les sprites prennent la liberté d'être quelque part sur le côté. Il semble y avoir un lien entre les sprites et les halos, mais le mécanisme n'est toujours pas clair. Ils apparaissent parfois ensemble, parfois séparément. Peut-être que le halo est la partie supérieure des sprites, lorsque l'intensité du champ électrique n'était pas suffisante pour que la décharge se propage dans l'air inférieur plus dense.
Selon la carte géographique des orages, les résidents des zones équatoriales et tropicales de la Terre ont les plus grandes chances de voir des sprites. C'est dans cette zone que jusqu'à 78% de tous les orages se produisent. Les résidents de Russie peuvent également observer des sprites. Le pic des orages dans notre pays tombe en juillet-août. C'est à cette époque que les amateurs d'astronomie peuvent voir un phénomène aussi beau que les sprites.
Selon l'American Sprite and Giant Jet Observing Handbook, pour voir les sprites, l'observateur doit être à environ 100 kilomètres de l'épicentre de l'orage. Afin d'observer les jets, il doit orienter son optique à 30-35 degrés vers la zone orageuse. Ensuite, il pourra observer une partie de l'ionosphère à une altitude allant jusqu'à 50 kilomètres, c'est dans cette zone que les jets apparaissent le plus souvent. Pour observer les sprites, vous devez viser les jumelles à un angle de 45 à 50 degrés, ce qui correspondra à la zone du ciel à une altitude d'environ 80 km - l'endroit où les sprites sont nés.
Pour une étude meilleure et plus détaillée des sprites, des jets et encore plus des elfes, il est préférable pour l'observateur d'utiliser un équipement de cinéma spécial, qui permettra d'enregistrer en détail les fusées célestes. Le meilleur moment pour chasser les sprites en Russie est de la mi-juillet à la mi-août.
Les sprites, comme la foudre, se trouvent non seulement sur Terre, mais également sur d'autres planètes du système solaire. Vraisemblablement, ce sont les sprites qui ont été enregistrés par des véhicules de recherche spatiale lors de violentes tempêtes sur Vénus, Saturne et Jupiter.
Les sprites et les elfes apparaissent à de telles altitudes en raison de la forte ionisation de l'air par la poussière galactique. À une altitude de plus de 80 kilomètres, la conductivité du courant est dix milliards de fois plus élevée que dans les couches superficielles de l'atmosphère.
Le nom «sprites» vient du nom des esprits de la forêt, qui sont mentionnés dans la comédie de William Shakespeare «A Midsummer Night's Dream».
Les sprites étaient connus de l'humanité bien avant 1989. Les gens ont émis diverses hypothèses sur la nature de ce phénomène, y compris le fait que les éclairs de lumière sont des vaisseaux spatiaux extraterrestres. Ce n'est qu'après que John Winkler a pu capturer des cadres de sprites dans l'ionosphère que les scientifiques ont prouvé qu'ils étaient d'origine électrique.
La couleur des sprites, des jets et des elfes diffère selon la hauteur à laquelle ils apparaissent. Le fait est que plus d'air est concentré dans l'atmosphère proche de la Terre, alors qu'une forte concentration d'azote est observée dans les couches supérieures de l'ionosphère. L'air brûle avec une flamme bleue et blanche, l'azote - rouge. Pour cette raison, les jets sous les sprites sont principalement bleus, tandis que les sprites eux-mêmes et, plus haut, les elfes, sont rougeâtres.
Et voici une vidéo d'un phénomène très rare - la foudre montante: