Astronomiczny Obiekt Miesiąca OAUJ: Wrzesień 2019

< poprzedni Archiwum następny >

Igłowe struktury w dodatnio naładowanych błyskawicach

Błyskawice występujące w atmosferze Ziemi to groźne i wciąż słabo poznane przez nas zjawiska. Typowy piorun tworzy sieć kanałów plazmowych, rozchodzących się od swego punktu początkowego z zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowanymi odnogami – tak zwanymi prekursorami dodatnimi i ujemnymi.

Prekursory ujemne błyskawic rozprzestrzeniają się w sposób nieciągły. W paśmie z zakresu od 30 do 300 megaherców obserwujemy obfite impulsy radiowe. Impulsy takie możemy wykrywać nawet z dużej odległości i obrazować z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową. Z kolei prekursory naładowane dodatnio propagują się w sposób bardziej ciągły, emitując przy tym niewielkiej mocy promieniowanie na wysokich częstotliwościach. Mimo to ich emisja radiowa została również zaobserwowana. Okazuje się, że wykazuje ona wzorce zupełnie odmienne niż w przypadku emisji radiowej pochodzącej z prekursorów ujemnych.

Naukowcy odkryli ponadto, że prekursory dodatnie mogą zostać na jakiś czas odłączone od ujemnych. Prowadzi to jednak do pojawiania się impulsów prądowych, które ponownie łączą ze sobą dodatnie i ujemne części błyskawic. Implikuje to również wystąpienie wielu wyładowań atmosferycznych zachodzących pomiędzy chmurami i powierzchnią Ziemi.

Uważa się, że ów proces rozłączania wynika z ujemnego oporu różnicowego. Nie wyjaśnia to jednak, dlaczego zachodzi on najczęściej na prekursorach dodatnich, ani dlaczego prąd elektryczny w błyskawicy skierowanej od chmury ku Ziemi nigdy nie osiąga wartości zerowej. Dodatkowo nie wiadomo, w jaki sposób prekursor dodatni (pozytywny) emituje promieniowanie radiowe i dlaczego pod tym względem znacznie różni się on od ujemnego (negatywnego).

Profesor Marian Soida z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego należy do międzynarodowego zespołu, który zaprezentował niedawno przełomowe interferometryczne radiowe obserwacje błyskawicy propagującej się nad Holandią - z niespotykaną wcześniej rozdzielczością czasową i przestrzenną, w trzech wymiarach. Praca na ten temat ukazała się na łamach Nature.

Uzyskanie tych przełomowych wyników było możliwe dzięki danym zbieranym przez Międzynarodowy Teleskop LOFAR (LOw Frequency ARray). LOFAR to europejska sieć anten służąca do obserwacji nieba w zakresie niskich częstotliwości radiowych. Jest zarządzana przez znajdujący się w Holandii ośrodek naukowy ASTRON. Międzynarodowy Teleskop LOFAR składa się z układów anten oraz urządzeń służących do obserwacji, przetwarzania i przechowywania danych zlokalizowanych w kilku krajach członkowskich projektu, w tym również w Polsce, i zarządzanymi w ramach wspólnej polityki naukowej.

Na bazie obserwacji z udziałem sieci LOFAR zespół zidentyfikował w błyskawicy drobne struktury plazmowe, które nazwano igłami. Z obserwacji radiowych wynika, że są one dominującym źródłem emisji radiowej prekursorów dodatnich. Struktury te wydają się ponadto odprowadzać ładunek z prekursora i prawdopodobnie odpowiadają również za to, że prekursory dodatnie odłączają się od ujemnych, a w rezultacie błyskawice typu chmura-Ziemia (powietrze-Ziemia) łączą się z powierzchnią Ziemi wielokrotnie podczas wyładowania.


Oryginalna publikacja: Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches, B. M. Hare et al., Nature (2019)


Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Radioastronomii i Fizyki Kosmicznej Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Wyniki badań zostały zrealizowane w ramach projektu The LOFAR cosmic ray key science project, który jest wspierany przez grant Advanced Grant of the European Research Council (FP/2007–2013)/ERC Grant Agreement number 227610. Badania zostały częściowo sfinansowane przez European Research Council (European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, grant agreement number 640130) i projekt FOM (FOM-project 12PR304).

Kontakt:

Marian Soida Obserwatorium Astronomiczne UJ Marian.Soida [at] uj.edu.pl