Блестящая труппа
Вскоре исследователи обнаружили целое световое шоу, разворачивающееся в верхних слоях атмосферы над свинцовыми грозовыми фронтами. Главные актеры в нем (в порядке снизу вверх): голубые джеты, которых иногда называют гномами (раз уж они внизу), посередине красно-фиолетовые спрайты и гало, а над ними красноватые кольца — парящие в вышине эльфы. Но, конечно, не надо забывать режиссера, стоящего за грандиозным спектаклем, — это всем известные грозовые облака и молнии. Вообще-то еще недавно труппа была многочисленнее, но исследователи постепенно избавились от духов, медуз (некоторые виды спрайтов) и прочей звучной «живности». Надо заметить, что упражнения в красивых названиях не просто забавы в стиле «физики шутят», как может показаться на первый взгляд. Как и в шоу-бизнесе, в науке продвижение идей и направлений играет важную роль, ведь и здесь, и там идет борьба за ресурсы. Область науки, которая на слуху у публики, обычно финансируется более щедро. Вспомните хотя бы нанотехнологии , о которых все говорят, но никто толком не может объяснить, что это такое и почему туда нужно направить столько средств. Но вернемся к нашему спектаклю и подробнее представим всех почтеннейшей публике.
Эльфы — самые эфемерные и короткоживущие в семействе высотных разрядов. Эти светящиеся красно-фиолетовые кольца возникают в нижней ионосфере на высотах 80—100 километров. Меньше чем за миллисекунду свечение, возникнув в центре, расширяется до 300—400 километров и угасает. Изучены эльфы не очень подробно, вероятно, потому, что не вызывают особых споров и не сулят серьезного продвижения в понимании природы атмосферных разрядов. Они рождаются через три десятитысячных секунды (300 микросекунд) после сильной молнии, ударившей из грозового облака в землю. Ее ствол становится «передающей антенной», от которой со скоростью света стартует мощная сферическая электромагнитная волна очень низкой частоты. За 300 микросекунд она как раз добирается до высоты 100 километров, где возбуждает красно-фиолетовое свечение молекул азота. Чем дальше уходит волна, тем шире становится кольцо, пока не угасает с удалением от источника.
Голубые джеты, или гномы, — самые загадочные, редкие и трудные для наблюдения существа в ансамбле новых высотных разрядов. Выглядит гном, как голубой узкий перевернутый конус, стартующий с верхнего края грозового облака и достигающий иногда 40-километровой высоты. Скорость распространения голубых джетов — от 10 до 100 км/с. Но самое странное, что их появление не всегда связано с видимыми разрядами молний. На высотах, откуда стартуют джеты, давление еще относительно высокое, и неудивительно, что они голубые. Так светят молния, коронный разряд на проводах, искровой разряд и даже пламя высокой температуры. Это тоже свечение молекул азота, но не в красно-фиолетовой полосе, как в случае эльфов, а в ультрафиолетово-голубой.
Кроме обычных джетов с верхней кромки облака иногда срываются вверх так называемые голубые стартеры. Они не поднимаются выше 30 километров. Одни ученые полагают, что это просто разряд молнии, направленный вверх, в область, где давление быстро падает, и потому стартеры расширяются гораздо сильнее обычных молний. Другие считают их недоразвитыми джетами.
Но самый интересный тип голубых джетов назвали гигантскими джетами. Стартуя не очень далеко от поверхности Земли, они достигают 90-километровой высоты. Интерес геофизиков к гигантским джетам под стать их размерам, ведь эти разряды совершают «беспосадочный перелет» из тропосферы прямо в ионосферу. Однако наблюдаются они чрезвычайно редко, и надежно их регистрировали не более дюжины раз. При этом живут они доли секунды, что, в принципе, позволяет заметить их простым глазом.
Теория джетов делает лишь первые шаги. Пока неясно даже, на что похоже это явление. Если по своей природе они близки к светящемуся каналу молнии в стадии развития, то становится понятно, почему рождение джета не связано с молниями: он сам — молния. Но, возможно, более близкой аналогией является разряд внутри грозового облака, который питает энергией канал молнии. В этом случае понять природу джетов будет еще труднее, поскольку теория таких разрядов находится в начальной стадии развития.
Красным спрайтам посвящено наибольшее число наблюдений и публикаций. Это настоящие поп-звезды среди высотных атмосферных разрядов. Иногда кажется, что интерес к ним столь же перегрет, как и к популярным певцам. Чем же они заслужили такое внимание? Дело, вероятно, в том, что их несложно наблюдать (если, конечно, знать о том, что это возможно). Каждые сутки на земном шаре рождаются десятки тысяч спрайтов, и просто удивительно, что их так долго не замечали.
Спрайты — очень яркие объемные вспышки, возникающие на высоте 70—90 километров и спускающиеся вниз на 30—40 километров, а иногда и больше. В верхней части их ширина достигает порой десятков километров. Это самые объемные из высотных разрядов. Как и эльфы, спрайты состоят в прямом родстве с молниями, но не со всеми. Большинство молний бьет из той части облака, которая заряжена отрицательно (она в среднем расположена ближе к земле). Но 10% молний, достигающих земли, стартуют из области положительного заряда, а так как основная область расположения положительного заряда больше, чем отрицательного, то положительные молнии мощнее. Считается, что именно такие мощные разряды порождают спрайты, вспыхивающие в мезосфере примерно через сотую долю секунды после разряда класса «облако — земля».
Красно-фиолетовый цвет спрайтов, как и у эльфов, связан с атмосферным азотом. Верхняя часть спрайта светится однородно, а вот ниже 70 километров разряд как будто сплетается из каналов толщиной в сотни метров. Их структура — самая интересная для изучения особенности спрайтов. Каналы называют стримерами по аналогии с хорошо известными разрядами-иголочками у острых краев предметов в грозовую погоду и у высоковольтных проводов. Правда, толщина земных стримеров порядка миллиметра, а в спрайтах они в 100 000 раз больше. Пока неясно, почему диаметр стримеров так сильно увеличивается — гораздо быстрее, чем падает с высотой давление воздуха.
Гало — это однородное красновато-фиолетовое свечение на высоте около 80 километров. Причина разряда, видимо, та же, что и у верхней части спрайтов, но в отличие от них гало всегда возникает прямо над вспышкой молнии. Спрайты же позволяют себе вольность находиться где-нибудь сбоку. Существует, видимо, некая связь между спрайтами и гало, но ее механизм пока неясен. Они появляются то вместе, то порознь. Возможно, гало и есть верхняя часть спрайтов, когда напряженности электрического поля не хватило, чтобы разряд распространился в более плотный нижний воздух.
Один из мощных штормов в атмосфере Сатурна. Подобные шторма — источники характерных для молний радиосигналов. Фото: NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE
Громовержец вне конкуренции?
Среди других планет вспышки молний надежно обнаружены пока только на Юпитере. В 1979 году их впервые зарегистрировала видеокамера межпланетной станции «Вояджер-1». Исследования с «Вояджера-2» и «Галилео» подтвердили эти результаты. По-видимому, эти молнии похожи на межоблачные разряды земного типа. Но обнаружить молнии можно не только по вспышкам. На Земле, например, за грозовой активностью следят по радиоизлучению электрических разрядов. В мощных атмосферах планет-гигантов радиоизлучение распространяется гораздо дальше, чем видимое. Правда, уйти в космос могут только высокочастотные (мегагерцовые) радиоволны, способные преодолеть ионосферу планеты. Первые же добравшиеся до Юпитера аппараты зарегистрировали это характерное излучение, а станция «Кассини», пролетая мимо Юпитера на пути к Сатурну, смогла оценить параметры молний внутри планеты. Похоже, Юпитер не зря назван в честь бога-громовержца, его молнии в тысячи раз превосходят по мощности земные Электрические разряды на планетах ищут не только ради изучения их физических свойств. Существует влиятельная гипотеза, что многие нужные для возникновения жизни молекулы появились под действием молний. Так что они, наряду с подходящей атмосферой, могли быть предпосылками возникновения жизни. Вот почему интерес к молниям так высок и планетное электричество ищут все без исключения межпланетные миссии. К сожалению, однозначный ответ пока есть только для Юпитера. Много надежд связывалось с Титаном, крупным спутником Сатурна. Давление там всего полторы атмосферы, а ветры с высокой скоростью гонят метановые тучи с нужным содержанием капель. Но… молнии так и не обнаружили. Спускаемый аппарат «Гюйгенс» зарегистрировал радиоизлучение в диапазоне 180—11 000 герц, но эти измерения не причисляют к надежным доказательствам. Возможно, это «шумит» ионосфера Титана. На самом Сатурне молний пока не видели, но есть все основания считать, что они там полыхают. Сперва «Вояджеры» обнаружили характерные высокочастотные электромагнитные сигналы, потом станция «Кассини» записала во время шести штормов несколько сотен радиосигналов, очень похожих на излучение земных молний. Правда, потом, в 2006 году, наступило длительное затишье. Лишь в ноябре 2007-го на Сатурне вновь начались грозы, сигналы которых надежно фиксировались крупнейшим в мире декаметровым радиотелескопом УТР-2 (Харьков, Украина). По мощности радиоизлучения молнии Сатурна в 10 тысяч раз превосходят земные, но увидеть их ни в видимом, ни в инфракрасном диапазоне не удается. Вероятно, они вспыхивают очень глубоко внутри Сатурна. На Уране и Нептуне «Вояджер-1» зафиксировал несколько электромагнитных вспышек, подобных радиосигналам на Сатурне. Скорее всего, молнии сверкают и там, но тоже в плотной газовой утробе планет. После «Вояджера» космические аппараты к Урану и Нептуну не приближались. Так что вся надежда на чувствительность новых радиотелескопов.