Sprite (zjawisko atmosferyczne)

Od 1886 duszki były opisywane w literaturze naukowej, a czasami rejestrowane nawet jako aktywność UFO. W 1925 C.T.R. Wilson^[5] przewidział ich istnienie, a w 1956 nawet osobiście zaobserwował, jednak informacje te zostały zignorowane. W nocy z 5 na 6 lipca 1989 profesor John Randolph Winckler, fizyk z University of Minnesota, wraz ze swoimi studentami – Robertem Franzem i Robertem Nemzekiem – testując kamerę LLLTV ("low-light-level TV camera") zarejestrowali dwie klatki, zawierające jasne kolumny światła, powyżej wierzchołków chmur burzowych w północnej części Minnesoty^[6]. Był to pierwszy udokumentowany dowód tego zjawiska, które autorzy określili jako "światło do stratosfery" (ang. light-to-stratosphere); początkowo określano to zjawisko także jako błyskawica od chmury do kosmosu (ang. cloud-to-space lightning), ale szybko przemianowanego na czerwony sprite (ang. red sprite)^[7]. Franz i inni^[6] oszacowali, że zjawisko to wystąpiło powyżej wierzchołków chmur burzowych (14 kilometrów) i miało pionowy zasięg około 20 km. Następnie Vaughan w 1992 roku^[8] i Boeck w 1995 roku^[9] opisali okołu dwudziestu podobnych zjawisk, zarejestrowanych przez kamery promu kosmicznego, występujących powyżej burz na obrzeżach Ziemi. W lipcu 1993 z pokładu laboratorium powietrznego NASA w samolocie DC-8 wykonano podczas jednego lotu 19 zdjęć duszków nad burzami w Iowa, Nebrasce i Kansas^[10].

W 1994 przeprowadzono misję obserwacyjną The Sprites94 Aircraft Campaign. Dwa samoloty, Rockwell Jet Commander i Israel Aircraft Commander Westwind 2 wykonywały loty w nocy (od godziny 22:00 do 02:00) kiedy księżyc był nisko w Oklahomie. Pomiary te umożliwiły wykonanie pierwszych kolorowych zdjęć zjawiska, potwierdzając istnienie czerwonych spritów oraz odkrywając nowy typ wyładowania – niebieski strumień (fontanna) (ang. blue jet). Wykonano również pomiary rozmiarów i czasu trwania tych zjawisk^[11][12]. Duszki są jednym z kilku zjawisk meteorologicznych z grupy chwilowych zjawisk świetlnych (ang. Transient Luminous Events (TLEs))^[13].

Istnieją różne warianty tłumaczenia nazewnictwa dotyczącego zjawisk optycznych w jonosferze na język polski. W szczególności słowo sprite jest tłumaczone jako duszek^[1], chochlik^[2], elf, krasnoludek, gnom^[3]. W książce Bodzaka autor proponuje nazwę "czerwony krasnoludek", ale podkreśla, że "przytoczone tutaj polskie nazewnictwo dotyczące wyładowań jonosferycznych jest jedynie swobodnym przekładem autora z języka angielskiego i na razie nie są oficjalnie przyjęte w języku polskim"^[14].

Angielska nazwa "sprite" została wprowadzona przez D. Sentmana^[15] i pochodzi od jednego z bohaterów komedii Szekspira Sen nocy letniej wesołego Puka lub bohaterów ze sztuki Szekspira Burza^[16] ze względu na swoje efemeryczne i przejściowe istnienie. W polskiej literaturze szekspirowskiej Puk jest roześmianym duszkiem^[17]. Inna wersja, bardzo rzadko przywoływana w literaturze naukowej, wywodzi słowo "sprite" od akronimu Stratospheric/Mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification^[18].

Duszki rozpoczynają się na wysokości 70–90 km nad powierzchnią Ziemi i przebiegają w dół, ale nigdy nie dochodzą fizycznie do górnej warstwy chmury burzowej^[19]. Są jednak związane z wyładowaniami atmosferycznymi w chmurach burzowych w troposferze, ich dolna granica jest obserwowana na wysokości 40 km.

Mechanizm fizyczny powstawania duszków jest związany z tworzeniem się ładunku elektrycznego (najczęściej dodatniego) w chmurze burzowej. To powoduje przemieszczenie się w stronę wierzchołka chmury elektronów swobodnych z górnej części atmosfery i powolną migrację w przeciwnym kierunku jonów dodatnich w tych warstwach. Podczas wyładowania atmosferycznego do Ziemi następuje neutralizacja ładunku chmury i gwałtowne przemieszczenie się elektronów swobodnych w górę^[20]. Powoduje to jonizację atmosfery ponad regionem burzowym a azot i tlen zaczynają emitować światło o barwie czerwonej na górze sprita i niebieskiej w jego dolnej części^[1]. Cooray sugeruje następującą analogię^[20]. Czas akumulacji ładunku w chmurze burzowej jest stosunkowo wolny i ruch elektronów swobodnych z górnej atmosfery można przyrównać do powolnego naciągania sprężyny. Po wyładowaniu atmosferycznym do Ziemi elektrony swobodne gwałtownie przemieszczają się do jonosfery podobnie jak szybka jest reakcja wyciągniętej sprężyny, w której uwolniono siłę naciągającą.

Specyficzną formą duszków są tzw. duszki kolumnowe (C-sprites, ang. columniform). Jedna z hipotez wyjaśniająca ich powstawanie opiera się na założeniu, że przechodzące meteory na wysokości 75 do 85 km zwiększają przewodnictwo elektryczne i mogą inicjować c-sprites^[21] podczas wyładowań atmosferycznych do ziemi. Ta hipoteza wiąże zjawiska świetlne w jonosferze, z wyładowaniami atmosferycznymi w troposferze i meteorami.

Sprite może osiągnąć szerokość do 40 km, a największe z nich mają nawet do 100 km. Objętościowo mogą obejmować obszar nawet 10 tysięcy km³^[4]. Potrafią przybierać różne kształty: marchewki, kolumny, a nawet formy przypominające wyglądem orła. Dolna część duszka składa się z szerokich na 100 metrów, jasnych kanałów zwanych strugami (ang. streamers), górna część, powyżej 60–70 km, nie ma wyraźnego kształtu i przypomina czerwoną chmurę^[1][11]. Duszki o kształcie kolumn mają taką samą szerokość niezależnie od wysokości^[1]. Rzadko występują samodzielnie, zazwyczaj w skupiskach po dwa, trzy lub więcej^[4].

Czas trwania zjawiska to od kilku^[4] do kilkudziesięciu milisekund, czyli krócej niż wyładowanie wywołującego je pioruna^[1]. Misja Sprites94 Aircraft Campaign określiła czas ich trwania na mniej niż 16 ms^[11]. Energia optyczna pojedynczego zjawiska wynosi około 10–50 kJ^[4]. Prędkość ich propagacji osiąga wartości pomiędzy 10 a 100 tys. km/s (większe na większych wysokościach)^[22].

Duszki są czasami poprzedzone trwającym 1 ms "halo"^[22]. Halo związane z duszkami powodowane jest obniżaniem się i krzywizną źródła światła; dlatego nie jest to zjawisko analogiczne do halo atmosferycznego powodowanego przez niesferyczne cząstki. Jego krótki czas trwania, rozmyty kształt i występowanie na wysokościach 70-85 km może powodować trudności w odróżnieniu go od elfów (ang. elves) czy od rozpraszania Rayleigha^[23] w dolnej atmosferze powodowanego przez odbicie światła z wyładowania atmosferycznego pomiędzy chmurą i ziemią.

Im silniejszy jest system burzowy, tym większe szanse na wystąpienie i zaobserwowanie duszków. Ich obecność była rejestrowana na wszystkich kontynentach oprócz Antarktydy, ale najlepsze warunki do obserwacji tych zjawisk atmosferycznych są w podrównikowych obszarach Afryki, Indonezji i Ameryki Południowej.

Duszki powstają zazwyczaj nad Mezoskalowymi Systemami Konwekcyjnymi (ang. Mesoscale Convective System - MCS) najczęściej kiedy aktywność wyładowań atmosferycznych obniża się i kiedy stratyfikowana część MCS jest dobrze rozwinięta^[13]. Ze względu na rozległy obszar stratyfikowanych chmur, nad którymi powstają duszki, optyczne obserwacje naziemne są przeprowadzane w pewnej odległości od regionu burzowego, około 150–200 km^[1]. Optyczne pomiary są prowadzone obecnie w ramach sieci stacji naziemnych^[13]. Inną techniką naziemną są obserwacje emitowanego promieniowania elektromagnetycznego związanego z duszkami^[24].

Ponieważ kowadła chmur burzowych lub stratyfikowana część MCSów zasłaniają często duszki, które występują ponad nimi, zaczęto prowadzić ich obserwację z przestrzeni kosmicznej.

Obserwacje z przestrzeni kosmicznej z projektu Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning (ISUAL) na satelicie FORMOSAT-2, dokonującego pomiarów w kierunku promienia skrajnego, dały informację na temat globalnego rozkładu duszków^[25]. Ilość duszków nad wodą jest mniejsza niż nad lądami i obszarami blisko brzegu w stosunku 4,1:1. Podobnie jest także w przypadku wyładowań atmosferycznych pomiędzy chmurami a ziemią, których jest znacznie więcej nad lądami niż nad oceanami, w stosunku 10:1. Dane z programu ISUAL pokazały, że duszki koncentrują się nad Centralną Afryką (Kotlina Konga), Morzem Japońskim i zachodnim Oceanem Atlantyckim. Jednak pomiary z programu ISUAL mają problemy z obserwacjami nad obszarami centralnych Stanów Zjednoczonych w lecie na półkuli północnej oraz Brazylii i Argentyny w lecie na półkuli południowej ze względu na charakterystykę orbitalną tego satelity. Po uwzględnieniu poprawek na niedoszacowane obserwacje wyniki z programu ISUAL pokazały, że na całym globie duszki występują około 1 raz na minutę czyli 1440 razy w czasie 24 godzin.

Inną techniką satelitarną są pomiary wykonywane z przestrzeni kosmicznej nie w kierunku promienia skrajnego ale w kierunku Ziemi^[26]. Tego typu pomiary zostały po raz pierwszy wykonane z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej^[26]. Tego typu obserwacje są szczególnie przydatne do oceny rozmiarów horyzontalnych duszków.

Duszki były podejrzewane o powodowanie wypadków statków powietrznych, poruszających się na dużych wysokościach. 5 czerwca 1989 z placówki NASA o nazwie National Scientific Balloon Facility (NSBF) wypuszczono balon stratosferyczny, który przelatując ponad burzą w pobliżu Graham, na wysokości 37 km otrzymał impuls elektromagnetyczny, który spowodował zwarcie w układach, skutkujące m.in. otwarciem spadochronu. Istnieje przypuszczenie, że przyczyną incydentu było wyładowanie typu sprite^[27].

• zorza polarna
• „latarnia z Maracaibo”

• "Red Sprites & Blue Jets" Film przygotowany przez University of Alaska Fairbanks nt. spritów i niebieskich fontann (ang. jet) (ang.)
• Eurosprite: blog rejestrujący wystąpienia spritów (ang.)
• Rzadkie zdjęcie, przedstawiające sprite i zorzę polarną
• Znakomite zdjęcie sprite nad chmurą burzową w Chinach w serwisie APOD: Astronomiczne zdjęcie dnia