Red Sprites und Blue Jets- Elektrische Entladungen in die Hochatmosphäre -

Jens OberheideBergische Universität Wuppertal

Antrittsvorlesung, 4. Juni 2007

Williams, Physics Today, 2001

• Phänomenologie

• Beobachtungen

• Physikalische Mechanismen

• Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre: Sind Sprites wichtig?

Red Sprites und Blue Jets - Übersicht

Red Sprites über Ft. Collins, CO, 1995

Sprites sind elektrische Entladungen in der Hochatmosphäre (50-100 km) über Gewittern.

courtesy of Geophys. Inst.,University of Alaska

Blue Jet über Reunion, 1997

Jets sind elektrische Entladungen in der mittleren Atmosphäre (15-50 km) über Gewittern.

18 km (Wolkenoberkante)

ca. 40 km

Wescott et al., JGR 2001

• ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern

• 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886

Red Sprites und Blue Jets - Historie

• ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern

• 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886

• 1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950

• 1956 – Erstes Modell Wilson, Proc. R. Meteor. Soc. London, 1956 (1925)

• 1989 – Erstes Spritefoto (Zufall!) Franz et al., Science, 1990

Red Sprites und Blue Jets - Historie

Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm SystemR. C. Franz; R. J. Nemzek; J. R. WincklerScience, Vol. 249, No. 4964., pp. 48-51, 1990.

Erstes Spritefoto

• 6. Juli 1989, 04:14:22 Uhr GMT

• Minneapolis, Minnesota, U.S.

• Einzelbild einer TV-Kamera (1/60 s)

• Kameraempfindlichkeit 10-5 Lux

• Testmessung für Raketenexperiment → Zufall!

Bäume (ca. 50 m entfernt)

Sprites (ca. 250 km entfernt)

Beobachtungsgeometrie

• Gewittersystem am Horizont, klarer Himmel dazwischen

• 200-300 km Entfernung (10-20°)

• Völlige Dunkelheit: keine Dämmerung, Lichtverschmutzung, usw.

• ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern

• 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886

• 1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950

• 1956 – Erstes Modell Wilson, Proc. R. Meteor. Soc. London, 1956 (1925)

• 1989 – Erstes Spritefoto (Zufall!) Franz et al., Science, 1990

• Seit 1993 – Systematische Spriteforschung (Boden-, Flugzeug-, Satellitenmessungen) Gefahr für Raketen, Space Shuttle?

Red Sprites und Blue Jets - Historie

Red Sprites - Flugzeugmessung

• Höhenbereich: 50-90 km → keine Anbindung an Wolken

• Horizontale Ausdehnung: 1-20 km

• Dauer: einige Millisekunden

• Struktur:

- oben: diffus, aufwärts

- unten: strukturiert, abwärts

Sprite = Kobold„The name sprite is well suited to describe their appearance, and it is a term that is succinct and whimsically evocative of their fleeting nature”

(Sentman and Wescott, 1996) 

Courtesy of Geophys. Inst., University of Alaska

Red Sprites - Beispiele

Satellitenbild eines Sprites – ROCSAT/ISUAL(Republic of China Satellite Imager of Sprites and Upper Atmosphere Lightning), Juli 2004

Sprites über Hamburg, 2. Mai 2005Foto: H. Lüthen

Blue Jets

• Höhenbereich: 18-45 km → Anbindung an Wolken

• Horizontale Ausdehnung: wenige km

• Dauer: einige 100 Millisekunden

• Strukturiert, aufwärts

Reunion, 1997Wescott et al., JGR 2001

Courtesy of Geophys. Inst.University of Alaska, 1994

Mt. Ida, Queensland, Australien, 1968Lyons et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 2003

Pasko et al., Nature 2002

Giant Blue Jet

• Höhenbereich: 18-75 km

• Horizontale Ausdehnung: wenige km

• Dauer: einige 100 Millisekunden

• Strukturiert, aufwärts

33 ms/frame

Elves vom Space Shuttle Columbia

• Höhenbereich: 100 km

• Horizontale Ausdehnung: > 100 km

• Dauer: wenige Millisekunden

• Diffus, seitliche Ausdehnung

Elves = Elfen

Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations From Electromagnetic Pulse Sources

Giant BlueJets

Pixies

Troll

TLE – Transient Luminous Events

Physikalische Mechanismen

Ladungsverteilung in Gewitterwolken

+

Aufwind

Graupel

Eiskristall- +

• Starke Auf- und Abwinde im Gewitterturm trennen positive und negative Ladungen

• Positive Ladung: oben, auch im Amboss

• Negative Ladung: unten

• Elektrischer Dipol

• Potentialdifferenz ~100 Megavolt

Blitzarten und Sprites

Klassifizierung nach

Polarität der zur Erde geführten Ladung

• Anteil 5-10%

• Bis zu 50% in Wintergewittern

• Große (100 kA) Stromamplituden

• Häufig am Ende der Gewitter

• Häufig in starken Gewittern

Positive CG

Sprites werden nur in Verbindung mit positiven CG-Blitzen beobachtet!

+250 kV

+100 MV

-100 MV

0 V

• Dipolfeld der Wolke wird durch Raumladungen abgeschirmt

• Influenzeffekt, da Leitfähigkeit σ höhenabhängig

• E aufwärts (klein)

Sprites - Entstehung

z

• Positiver CG-Blitz entfernt die positiven Ladungen und das Dipolfeld bricht zusammen

• Quasi-elektrostatisches Feld der Raumladungen bleibt für τ=ε0/σ (Relaxationszeit, einige ms) aufrecht

• E abwärts (groß), ~1/z3 (Dipolfeld)

• Bei Durchbruch: positive Streamer (abwärts), negative Streamer (aufwärts)

neg. Streamer

pos. Streamer

Sprites - Entstehung

kritischeFeldstärke

für dielektrischenDurchbruch

Feldstärken kurz nach pos. CG-Blitzin Abhängigkeit vom Dipolmoment

Sprite bei Überschreiten derkritischen Feldstärke!

→ Lawinenbildung; Streamer in Gasentladung

~ρLuft

~1/10 c

N2+(1NG)

N2(2PG)

N2(1PG)

N2+(M)

A2Πu

Spektrum und Farben der Sprites

dominiert durch N2(1PG)

dominiert durch N2(2PG)(300-500 nm)Bucsela et al., 2003; Morrill et al., 2002; Milikh et al., 1998

Modellierte Sprites

N2(1PG)

N2(2PG)

courtesy of V. Yukhimuk, LANL

Blue Jets - Entstehung

• Endhöhe hi erreicht, wenn

τσ=ε0/σ(hi) ≈ t(hi)

dielektrische Relaxationszeit = Laufzeit des Jets

• vJet: einige 100 km/s

• Typische Endhöhe: 40 km• Giant Blue Jets: 70 km

Pasko and George, JGR 2002

• Hohe Feldstärke an der Oberkante der Wolke (konvektiver Kern)

• Positive Koronaentladung

• Kein Blitz erforderlich

• Auch andere Theorien in Diskussion (z.B. Wolkenblitze und relativistische Elektronen)

Blue Jets – Spektrum und Modellsimulation

• 80% N2(2PG)

• 20% N2+(1NG)

• Modellsimulation eines Giant Blue Jets

Pasko and George, JGR 2002

Elves - Entstehung

• „Normaler“ CG-Blitz ist Sequenz von Entladungen

• Hauptentladung ist der „Return Stroke“ ~70 μs

• I = 10 - 100 kA

• Positiver Streamer→ aufwärts→ dI/dt groß

courtesy of NASA

„Return stroke“ ist sich aufwärts bewegender, gepulster Dipol, radiale Abstrahlung

→ sich aufwärts ausbreitender elektromagnetischer Impuls (EMP)

Elves - Entstehung

• EMP‘s werden durch jeden Blitz verursacht

• Nur starke EMPs (Blitze) führen zu Elves

• EMP-Amplitude ~1/r (Fernfeld einer Antenne)

• Kritische Feldstärke für dielektrischen Durchbruch ~e-z/7km (~Dichte) kann zwischen 80-100 km Höhe überschritten werden

• Anregung von N2(1PG), Donut-Struktur

• Dauer < 1ms

• Häufig gefolgt von Sprites

Barrington-Leigh and Inan, GRL 1999

>100 km

Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre:

Sind Sprites wichtig?

Wie häufig sind Sprites?

• Elektromagnetische Wellen <60 Hz aus Blitzen breiten sich im Erde-Ionosphären Wellenleiter global aus (Schumann-Resonanzen)

• Gleichzeitige Messung an mehreren (weit entfernten) Orten erlaubt Bestimmung von

- Ausgangspunkt- Polarität- Ladungstransfer

• Ableitung der globalen Spriterate und Verteilung mit empirischem Modell

Sato and Fukunishi, GRL 2003

Hu et al., GRL 2002

Sato and Fukunishi, GRL 2003

Sommer

Herbst

Winter

Wie häufig sind Sprites?

Globale Verteilung von

Dipolmomenten Spriteraten

Untergrenze: 720 Sprites/Tag (0,5/min)

Spriteraten

Obergrenze: 60/min• ca. 10 CG-Blitze/Sekunde• ca. 10% davon sind +CG

Nur starke Blitze!

Ionosphäre (~80 km)V=+250 kV, Q=2*105 C

I0=1,25 kA

R=200 Ω

• ca. 1250 Gewitter gleichzeitig

• Gesamtstrom durch Gewitter: I0=1,25 kA

• „Schönwetter“-Widerstand: R=200 Ω (aus Leitfähigkeit)

• Ionosphärenpotential: V=+250 kV

• Schönwetterfeld ~150 V/m

Sprites und globaler elektrischer Kreislauf

Grobe Abschätzung:• Sprite ist Kurzschluss in Ionosphäre• Transferiertes Ladungsmoment <10000 C*km• Ladungstransfer Q <200 C• Jeder Sprite ändert globales Ionosphärenpotential um <1‰• Änderung des Schönwetterfeldes <150 mV/m• Neueste Messung (Füllekrug et al., 2006): 44 mV/m

→ Sprites haben keine Auswirkungen auf den globalen elektrischen Kreislauf

Sprites und globale Energiebilanz

• Thermischer Energieübertrag pro Sprite in Mesosphäre: 100 MJ – 1 GJ; abgeleitet aus gemessenen optischen Emissionen (Heavner et al., 2000)

• Grobe Abschätzung

- 1 Sprite/Sekunde mit je 1 GJ = 1 GW

- Global: 1 GW / 5*1014 m2 = 2 μW/m2 (Obergrenze!)

- Globaler Energieeintrag in Mesosphäre (nur solare Strahlung): 4 mW/m2

→ Sprites tragen weniger als 1 ‰ zur Energiebilanz bei, nicht wichtig

Sprites und Chemie

• Temperaturerhöhung in Spritekanälen (Neutralgas) nicht bekannt, aber wahrscheinlich in der Größenordnung 100 K → Änderung von Reaktionsraten

• Ionisation in Spritekanälen → Ionenchemie

• Modellsimulationen (Huang et al., JGR 2006) für chemische Zusammensetzung in Spritekanälen:

- ΔO, ΔH, ΔO3 < 1%

- ΔHO2 = -45%

- ΔOH = +250%

→ Sprites für Chemie auf globaler Skala wahrscheinlich nicht wichtig, noch nicht abschließend geklärt

Sind Sprites wichtig?

• Global gesehen gehören Sprites wahrscheinlich nicht zu den dringendsten Fragen der Atmosphärenphysik, obwohl vieles noch ungeklärt ist

• Chemie?

• Ionosphäre? (Elektronendichten, Schumann-Resonanzen, Funkwetter, GPS,…)

• Infraschallquelle?

• Lokal können die Effekte erheblich sein

• 2-5 Sprites/min über einzelnen Gewittern gefunden

• Interessante Physik

• … die auch noch schön anzuschauen ist!

Williams, Physics Today, 2001