Детальное 3D-исследование мощного электрического разряда, который поднялся на 50 миль в космос над грозой в Оклахоме, дало новую информацию о неуловимом атмосферном явлении, известном как гигантские струи. Разряд в Оклахоме был самой мощной гигантской струей, изученной до сих пор, несущей в 100 раз больше электрического заряда, чем обычная грозовая молния.

Гигантская струя переместила около 300 кулонов электрического заряда в ионосферу — нижнюю границу космоса — от грозы. Типичные разряды молнии переносят менее пяти кулонов между облаком и землей или внутри облаков. Восходящий разряд включал относительно холодные (примерно 400 градусов по Фаренгейту) потоки плазмы, а также структуры, называемые лидерами, которые очень горячие — более 8000 градусов по Фаренгейту.

"Мы смогли нанести на карту этот гигантский реактивный самолет в трех измерениях с помощью действительно высококачественных данных", - сказал Леви Боггс, научный сотрудник Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI) и автор статьи. "Мы смогли увидеть очень высокочастотные (УКВ) источники над вершиной облака, которые раньше не были замечены с таким уровнем детализации. Используя спутниковые и радарные данные, мы смогли узнать, где над облаком располагалась очень горячая основная часть выброса".

Боггс работал с исследовательской группой из нескольких организаций, включая Ассоциацию космических исследований университетов (USRA), Техасский технический университет, Университет Нью-Гэмпшира, Политехнику Каталонии, Университет Дьюка, Университет Оклахомы, Национальную лабораторию сильных штормов NOAA и Лос-Аламосскую национальную лабораторию. Об исследовании сообщается 3 августа в журнале Science Advances.

Стив Каммер, профессор электротехники и вычислительной техники в университете Дьюка, использует электромагнитные волны, испускаемые молнией, для изучения этого мощного явления. Он управляет исследовательским участком, где датчики, напоминающие обычные антенны, расположены в пустом поле, ожидая приема сигналов от местных штормов.

"УКВ- и оптические сигналы окончательно подтвердили то, что исследователи подозревали, но еще не доказали: УКВ-радиосигнал от молнии излучается небольшими структурами, называемыми стримерами, которые находятся на самом кончике развивающейся молнии, в то время как самый сильный электрический ток протекает значительно позади этого кончика в электропроводящем канале, называемом лидером,- сказал Каммер.

Дуг Мах, соавтор статьи из Ассоциации космических исследований университетов (USRA), сказал, что исследование было уникальным в определении того, что 3D-местоположения оптического излучения молнии находились значительно выше вершин облаков.

"Тот факт, что гигантская струя была обнаружена несколькими системами, включая Lightning Mapping Array и два геостационарных оптических прибора lightning, был уникальным событием и дает нам гораздо больше информации о гигантских струях", - сказал Мах. "Что еще более важно, это, вероятно, первый случай, когда гигантский реактивный самолет был нанесен на трехмерную карту над облаками с помощью набора инструментов Geostationary Lightning Mapper (GLM)".

Гигантские струи наблюдались и изучались в течение последних двух десятилетий, но из-за отсутствия специальной системы наблюдения для их поиска их обнаружение было редким. Боггс узнал о событии в Оклахоме от коллеги, который рассказал ему о гигантском реактивном самолете, который был сфотографирован гражданином-ученым, работавшим с камерой при слабом освещении 14 мая 2018 года.

По счастливой случайности, событие произошло в месте, где поблизости установлена УКВ-система отображения молний, в пределах досягаемости двух метеорологических радаров следующего поколения (NEXRAD) и доступных для приборов на спутниках из сети геостационарных оперативных экологических спутников NOAA (GOES). Боггс определил, что данные из этих систем были доступны, и работал с коллегами, чтобы собрать их вместе для анализа.

"Подробные данные показали, что эти холодные потоки начинают свое распространение прямо над вершиной облака", - объяснил Боггс. "Они распространяются вплоть до нижней ионосферы на высоту 50-60 миль, создавая прямую электрическую связь между вершиной облака и нижней ионосферой, которая является нижним краем космоса".

Это соединение передает тысячи ампер тока примерно за секунду. Восходящий разряд перенес отрицательный заряд из облака в ионосферу, что типично для гигантских струй.

Данные показали, что по мере того, как разряд поднимался от вершины облака, УКВ-радиоисточники были обнаружены на высотах от 22 до 45 километров (от 13 до 28 миль), в то время как оптическое излучение от лидеров молнии оставалось вблизи вершины облака на высоте от 15 до 20 километров (от 9 до 12 миль). Одновременные 3D-радио- и оптические данные указывают на то, что УКВ-сети lightning обнаруживают выбросы от стримерной короны, а не от ведущего канала, что имеет широкие последствия для физики молний, помимо гигантских струй.

Почему гигантские реактивные двигатели выбрасывают заряд в космос? Исследователи предполагают, что что—то может блокировать поток заряда вниз - или в сторону других облаков. Записи о событии в Оклахоме показывают незначительную активность молний во время шторма до того, как он выпустил рекордную гигантскую струю.

"По какой бы то ни было причине обычно происходит подавление выбросов от облаков к земле", - сказал Боггс. "Происходит накопление отрицательного заряда, и затем мы думаем, что условия в верхней части шторма ослабляют самый верхний слой заряда, который обычно положительный. В отсутствие грозовых разрядов, которые мы обычно видим, гигантская струя может уменьшить накопление избыточного отрицательного заряда в облаке ".

На данный момент остается много вопросов без ответов о гигантских струях, которые являются частью класса таинственных преходящих световых явлений. Это потому, что наблюдения за ними редки и происходят случайно — от пилотов или пассажиров самолета, случайно увидевших их, или наземных наблюдателей, работающих с камерами ночного сканирования.

Оценки частоты появления гигантских струй варьируются от 1000 в год до 50 000 в год. О них чаще сообщалось в тропических регионах земного шара. Однако гигантская струя в Оклахоме, которая была в два раза мощнее следующей по силе, не была частью системы тропических штормов.

По словам Боггса, помимо своей новизны, гигантские реактивные самолеты могут оказать влияние на работу спутников на низкой околоземной орбите. По мере запуска большего числа таких космических аппаратов ухудшение сигнала и проблемы с производительностью могут стать более значительными. Гигантские струи могут также повлиять на такие технологии, как загоризонтные радары, отражающие 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 Грузии. Работа над гигантскими струями и другими атмосферными явлениями является частью этих усилий.