Barta Veronika
Káprázatos jelenségek a viharfelhők fölött

Mindnyájan éreztük már az éjszakai zivatarok félelmetes, mégis csodálatra méltó varázsát. Amikor villám fénye világítja be az éjszakai égboltot és dörgés hasít bele a csendbe, akkor vesszük észre, hogy milyen hatalmasak a természet erői és milyen parányi az ember. Pedig nem is látjuk, hogy magasan a zivatar fölött akár több 10 kilométeres, szemet kápráztatóan fényes jelenségek cikáznak, melyek létezéséről mindössze csak két évtizede tudunk. E népes és változatos jelenségcsoport valamennyi tagja nagyon rövid élettartamú, a legtovább fennmaradók is legfeljebb egy-két tized másodpercig figyelhetők meg. Bár az egyes jelenségek alakja és dinamikája nagyon különböző, az közös bennük, hogy a viharfelhőben zajló kisülési folyamatok váltják ki őket, és megjelenésüket a zivatarfelhő és az ionoszféra között áramló energia, valamint a semleges légkör alkotóinak kölcsönhatása okozza. A cikkben megismerhetjük a jelenség felfedezését, kialakulásának körülményeit, a megjelenési formák tulajdonságait, végül az észlelési lehetőségeket, a megfigyelés folyamatát. 
 

Felfedezés, a jelenséget kialakító folyamatok
1989-ben a felsőlégköri fényjelenségek egy addig nem ismert válfaját fedezte fel Winckler és két társa Észak-Amerikában. Wincklerék északi fényt akartak fényképezni, ám ahelyett – egy távoli zivatarfelhő felett – a felsőlégkörben megjelenő, alig tized másodperces felfénylést sikerült lencsevégre kapniuk (1. ábra; a meteorológiai értelemben vett felsőlégkör az atmoszféra 20–90 km közé eső magasságtartománya). Bár a felvétel első volt a maga nemében, a jelenség létezését C. T. R. Wilson már 1920-ban megjósolta. Ő úgy gondolta, hogy ezek a jelenségek a zivatarfelhők tetejétől az ionoszféra (a légkör ionizált tartománya) felé folyó elektromos áramok következményei lehetnek. 

A Winckler és társai által lefényképezett jelenséget később az angol red sprite névvel illették, amit magyarra talán vörös lidércként fordíthatunk. A vörös lidérc elnevezés nagyon találó a jelenség vörös színe és tünékeny, illékony természete miatt. A vörös lidércek méretei tekintélyt parancsolóak. Viharfelhők fölött jelennek meg a legnagyobb pozitív felhő-föld villámokat követően, amikor a villámkisülés pozitív töltéseket szállít a felhőből a földre. Ha a fennmaradó negatív töltéscentrum elég sok töltést hordoz, közte és az ionoszféra között rövid időre kialakul egy kellően erős elektromos tér, amelyben a levegőben lévő szabad elektronok gyorsulnak és gerjesztik a környezetük részecskéit, amelyek a felvett energiát többek között fénysugárzás formájában adják vissza. 

1. ábra.  A Winckler és két társa által 1989-ben megfigyelt első felsőlégköri fényjelenség, a „vörös lidérc”

A felfedezést követően a légkörkutatók figyelme a viharfelhők fölé irányult és kiderült, hogy a felsőlégkörben számos jelenségcsoport található (2. ábra). A következőkben az olvasó ezt a jelenségeket ismerheti meg közelebbről. (Részletes leírás található összefoglaló munkákban – Füllekrug et al., 2006, Neubert et al., 2008 – és honlapon is: http://eurosprite.blogspot.com.)
 

2. ábra. Az eddig ismert felsőlégköri elektrooptikai emissziók különböző típusai

Felfelé irányuló villámok, törpék, tündérkék
A 2. ábrán látható fényjelenségek közül legegyszerűbb a felfelé irányuló villámkisülés (upward lightning). A zivatarfelhőben általában három fő töltésgóc alakul ki, két pozitív között egy negatív. Abban az esetben, ha a villámkisülés ezek között keletkezik, akkor felhőn belüli, ha pedig valamelyik töltésgóc a földdel összekapcsolódva sül ki, akkor felhő-föld villámról beszélünk. Mindkét esetben megkülönböztethetünk pozitív és negatív polaritású villámot attól függően, hogy melyik töltéscentrum helyezkedett el a kisülés előtt magasabban. Vannak még felhő-levegő villámok is – a felhő töltésgócai, valamint a töltésmegosztás és turbulencia által kialakított kisebb töltéscentrumok között – a felhőn kívül. Ilyen felhő-levegő kisülés minden irányban létrejöhet, így felfelé is, ezek tehát „hétköznapi” villámkisülések, így nappal is láthatóak. Színük fehéres-sárgás, magasságuk néhány száz méter és 10 km közötti, élettartamuk pedig 1–3 másodperc. 

A felfelé irányuló villámokhoz jellegüket tekintve talán a törpék (gnomes) állnak a legközelebb a felsőlégköri fényjelenségek közül (2. ábra). A törpéket 2000-ben fedezték fel az amerikai síkságok felett, 20 perc alatt 17 példányt sikerült megfigyelni a viharfelhő közelében elhaladó repülőről. Színük a felfelé irányuló villámkisülésekhez hasonló, fehéres, méretüket tekintve kompakt jelenségek, átmérőjük 200 méter, míg magasságuk maximum 1 km, élettartamuk a megfigyelt esetekben 33 és 136 ezredmásodperc (ms) között volt.

A tündérkéket (pixies) (2. ábra), amelyek 100 méter átmérőjű fényes pontok, és csoportban ülnek a zivatarfelhő tetején, ugyanabban a viharfelhőben fedezték fel 2000-ben, mint a törpéket. Élettartamuk kevesebb mint 16 ezredmásodperc, ami egy videofilm-kockányi idő az amerikai szabvány szerint.

Nyalábok
A felsőlégköri fényjelenségek következő nagyobb csoportját különböző nyalábok alkotják, melyek a felhő tetejéről kiindulva törekednek az ionoszféra irányába (2. ábra). A kék nyalábokat (blue jets) 1994-ben fedezték fel Észak-Amerikában a vörös lidércek megfigyelésére indított repülőgépről. 22 perc alatt 65 db kicsi (néhány km) és közönséges (20–25 km) kék nyalábot sikerült megfigyelniük. Az észlelt fénynyalábok sebessége nagyon különböző volt, 25 és 150 km/s között változott, élettartama azonban egyiknek sem haladta meg a 2 tized másodpercet; azóta csak ritkán figyelték meg őket. Ennek oka valószínűleg az, hogy az észlelőállomások messze helyezkednek el a zivatarfelhőtől, és a nyalábok kék fénye erősen szóródik a levegő részecskéin, így ilyen távolságból nehéz megfigyelni a jelenséget. A kék nyalábok kialakulása a töltésszétválasztó folyamatokkal van összefüggésben. A felhő felső pozitív töltéscentrumából egy elővillám indul meg felfelé, amelynek magassága attól függ, hogy a töltésszétválasztó folyamatok mennyi ideig tudják fenntartani a szükséges térerősséget, illetve töltéssűrűséget a felső töltésgócban, amely táplálja a nyalábot. 

3. ábra. Óriás nyaláb, magassága meghaladja a 70 km-t
 (Van der Velde et al., 2010)

2002-ben a nyalábok egy új tagját fedezték fel Tajvanban, melyet tekintélyes mérete miatt óriás nyalábnak (gigantic jet) neveztek el. Magassága meghaladja az 50–60 kilométert, és esetenként az ionoszférát ostromolja, ezzel is jól mutatva a közvetlen kapcsolatot az ionoszféra és a felhő között. Ez a jelenség talán a legritkább a felsőlégköri elektrooptikai emissziók között, csak néhányszor sikerült eddig lencsevégre kapni. A megfigyelések során kiderült, hogy az óriás nyalábok – ellentétben kék társaikkal – inkább vöröses színűek, ahogy ez a 2009 decemberében Korzika mellett megfigyelt nyaláb esetében is látszik (3. ábra). Az óriás nyaláb nagy valószínűséggel felhőn belüli villámkisülésnek indul, amely azonban nem teljesen tisztázott körülmények között „túllő” a felhő tetején.

Lidércek és társaik
A 2. ábrán a lidércek glóriájaként megjelenő fénylő gyűrű (ELVES = Emissions of Light and Very Low Frequency Perturba­tions From Electromagnetic Pulse Sources) nem állandó társa a lidérceknek, hanem önállóan is megfigyelhető jelenség, kialakulása is eltér a többi felsőlégköri fényjelenségétől. Egy-egy nagyobb felhő-föld villámkisülés elektromágneses lökéshulláma okozza. Ahogy a lökésfront szétterjed a keltővillám körül, energiája – közvetlenül az ionoszféra aljánál – a semleges nitrogént gerjeszti, amely vöröses fény kibocsátása közben tér vissza alapállapotába. A jelenség teljes élettartama ritkán éri el az 1 ezred másodpercet, de ez alatt a rövid idő alatt mégis a gyűrű átmérője elérheti az 500–600 kilométert. A kibocsátott fény is általában igen gyenge, ezért hagyományos kamerával vagy emberi szemmel gyakorlatilag nem észlelhető, megfigyelése csak speciális eszközökkel lehetséges: ezek időbeli felbontása eléri akár az 50 milliomod másodperc/képkockát. A gyűrűlidércek létezését már a ’90-es évek elején megjósolták, azonban csak 1995-ben sikerült először a földről megfigyelni őket.

4. ábra. A bal oldali, 2008-as soproni képen medúzacsoport látható lidércudvarral, míg a jobb oldali 2009-es felvételünk egy szép lidérccsoportot mutat. Utóbbin jól látszik, hogy a lidércek fényessége egy nagyságrendbe esik a teliholdéval

A gyűrűlidérc alatt (2. ábra) helyezkedik el a lidércudvar (halo) (4. ábra). Régebben gyűrűlidércnek hitték, melyet gyakran vörös lidérc követ, de a megfigyelések során kiderült, hogy különálló jelenségről van szó. A nagy időfelbontású videofelvételeken látszik, hogy a halok 60–70 km átmérőjű, lencse alakú fényjelenségek, melyek 1–3 ezredmásodperces élettartamuk alatt lefelé mozognak.

5. ábra. Az első színes lidércfelvétel (1994)
(Sentman et al., 1995)

A leggyakrabban megfigyelt jelenség a vörös lidérc. A jelenség, ahogy az alaszkai Fairbanks Egyetem kutatói által 1994-ben készített első színes felvételen is látszik (5. ábra), dominánsan vörös színű, azonban alsó nyúlványai kékesbe mennek át. A vörös lidércek 70–75 km magasan alakulnak ki zivatarfelhők fölött, intenzív villámkisüléseket követően, jól strukturált, elágazó elektronlavinák formájában, amelyek először általában lefelé, majd némely esetben felfelé is terjednek. A lidércek 50–90 km között helyezkednek el, de csápjaik akár 40 km alá is lenyúlhatnak. A jelenség markáns méretét jól mutatja a 6. ábra: a vörös lidérc az észlelőhelytől mintegy 100 km-re lévő zivatar fölött alakult ki, az ábra alján a körülbelül 60 m magas soproni tv-torony látszik. 

6. ábra. Egy 2010 augusztusában megfigyelt vörös lidérc, a kép alján pedig a Soproni hegység a nagyjából 60 m magas tv-toronnyal


A sprite-ok élettartama nagyon rövid, a legfényesebbek kevesebb mint 16 ezred másodpercig, míg a halványabbak akár 100–120 ezred másodpercen át figyelhetők meg. Megjelenhetnek egymagukban vagy csoportosan, utóbbi esetben a csoport elemei horizontálisan akár 50 kilométeres átmérőjű tartományt is elfoglalhatnak.

Küllemük az egyszerű oszloptól kezdve a bonyolultabb répára (a központi fényesebb részhez alul „gyökerek”, felül pedig „levelek” kapcsolódnak), illetve medúzára emlékeztető formákig különböző alakot ölthet. A megfigyelések szerint a vörös lidércek általában pozitív polaritású felhő-föld villámkisülések után jelennek meg. Esetenként úgynevezett pókvillámokhoz köthetők, ezek nagyon erős felhővillámok, amelyek szerteágazó kisülési csatornája horizontálisan akár több mint 100 km is lehet a felhőben, miközben néhány földbe csapó pozitív villám társul hozzájuk. Mazur és társai azt figyelték meg, hogy ezekhez a villámokhoz kapcsolódnak az úgynevezett "dancer”-ek, azaz táncoló lidércek, amelyek időben gyorsan követik egymást, térben viszont eltolódva jelennek meg, ezért a felvételeken úgy tűnik, mintha egyetlen lidérc táncolna tova az égen. Amint egy viharban a lidércek kialakulása elkezdődött, az események pár percenként is követhetik egymást. Általában néhány tucat lidérc keletkezik egy vihar esetében, azonban előfordulnak olyan extrém viharok, amelyekben akár 400–750 lidérc is feltűnik 4–5 óra alatt; az ilyen hiperaktív zivatarok kiváltó oka még nem tisztázott.

A vörös lidércek legmélyebbre nyúló indái mentén felfelé kúszó fényjelenségeket TROLL-oknak nevezzük (2. ábra). A név betűszó (Transient Red Optical Luminous Lineament), ami magyarul „átmeneti vörös fénylő optikai vonulat”-ot jelent. Nagyobb sebességű videók készítése után kiderült, hogy alakjuk több egymást követő, egyre magasabban induló, de lefelé irányuló kisebb kisülés sorozataként áll össze (7. ábra). A trollok másodlagos elektrooptikai emissziók, azaz nem független jelenségek, a megfigyelések szerint csak a vörös lidércekkel egyidejűleg jelennek meg. 

7. ábra. Vörös lidérc és troll. A felvétel képkockáin jól látszik a lidérc nyúlványai mentén egyre feljebb törekvő fényes jelenség

A teljesség kedvéért még meg kell említeni egy különleges lidércet, amit pálmafának neveztek az 1994-ben megfigyelt első példány alakja után (2. ábra). Ez az altípus az óriás nyalábra hasonlít, kb. 20–30 kilométeres magasságból indul, 60 kilométerig ér fel, viszont a trollokhoz hasonlóan másodlagos optikai emisszió, eddig csak a vörös lidércekkel egyidejűleg figyelték meg.

Felsőlégköri jelenségek megfigyelése Magyarországról
Az előzőekben bemutatott felsőlégköri fényjelenségeket észlelhetjük az űrből, műholdak segítségével, ballonokról és repülőkről, melyek elhaladnak a viharfelhők közelében, de a legegyszerűbben a földfelszínről egy kamera segítségével, amely oldalról, több kilométer távolságból a felhő fölé lát. A Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet tetején 2007-ben állítottak fel egy földbázisú megfigyelőrendszert, amellyel Közép-Európában, Sopron 500–600 km-es körzetében végezhetünk optikai megfigyeléseket (8. ábra). A látótávolság délnyugatra valamivel rövidebb a Soproni-hegység, északkelet felé pedig egyenetlen a város épületei miatt. A térségben előforduló zivatarok a LINET villámészlelő rendszer segítségével követhetők nyomon, amely viszonylag új és dinamikusan fejlődő egységes hálózat Európában. Ennek köszönhetően a megfigyelőnek nincs más dolga, mint a kamerát a zivatarfelhő fölötti térségre irányítani, és várni a lidércek hadát. 

8. ábra. A soproni kamera és látótere

Az optikai megfigyelésen túl fontos a jelenségek viharral, illetve villámokkal való kapcsolatának vizsgálata. Az elektrooptikai fényjelenségek megjelenését kiváltó nagyobb villámok az átlagos kisülésekkel összemérve egy nagyságrenddel intenzívebb rádiósugárzást produkálnak az 5–30 Hz-es frekvenciasávban is. Ez a rádiósugárzás megfelelő antennákkal a Nagycenk és Fertőboz között elhelyezkedő Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban észlelhető. Ezeken a frekvenciákon a rádiójelek csillapítása viszonylag csekély, így az alacsony frekvenciás rádióhullámok segítségével a mérőállomás a Föld bármely pontján keletkező legnagyobb villámokat észleli. A regisztrált jelekből a forráskisülés polaritása, földrajzi koordinátái és töltésmomentuma (azaz a villám töltésmozgató képessége, erőssége) meghatározható. A felsőlégköri emissziókkal kapcsolatba hozható villámkisülések jeleit a direkt optikai megfigyelések időpontjaival és körülbelüli helyével való egyezés alapján lehet azonosítani, a villámok paramétereinek meghatározásával pedig vizsgálható, hogy az emissziók milyen körülmények között jelennek meg.

Az elmúlt három év során több mint 500 jelenséget sikerült észlelni a soproni kamera segítségével egész Közép-Európában. A megfigyelt események majdnem mindegyike vörös lidérc, illetve lidércudvar volt. A felsőlégköri fényjelenségek vizsgálatával többet megtudhatunk a felsőlégkör tulajdonságairól, az ott zajló töltésáramlási folyamatokról, jobban megismerhetjük a villámok elektromágneses sugárzásának jellemzőit, valamint a zivatarfelhőben lejátszódó elektromos folyamatokat.

Igenis, mindig van új a nap alatt, sohasem tudhatjuk, hogy a természet még milyen meglepetéseket tartogat a számunkra, hiszen a lidérceket is csak ábrándoknak tekintették az első, tudományos körökben is elfogadott felvétel előtt. Lidérces éjszakákat! 

A szerző a 2010. évi Doktorandusz cikkpályázat első helyezettje.



IRODALOM
Fukunishi et al., 1996: Lightning induced transient 
luminous events in the lower ionosphere, Geo­physical Research Letters, 1996, 23, 2157–2160. Füllekrug et al., 2006: Sprites, Elves and Intense Lightning Discharges, edited by: Füllekrug, M., Mareev, E. A., Rycroft, M. J., vol. 225 of NATO Science Series II. Mathematics, physics and chemistry, pp. 19–56, Springer Verlag, 978-1-4020-4627-8, 2006.
Lyons et al., 2000: Results from the Sprites ’99 and STEPS 2000 Field Programs, Preprints, 20th Conf. on Severe Local Storms, AMS,  Orlando, 4 pp., 2000. 
Lyons et al., 2003: Upward Electrical Discharges
From Thunderstorm Tops, Bulletin of the American Meteorological Society, 2003, 84:4, pp. 445–454. 
Mazur et al., 1998: „Spider” lightning in intracloud and positive cloud-to-ground ashes, J. Geophis. Res. 103 (1998), pp. 19811–19822.
Neubert et al, 2008: Recent Results from Studies of Electric Discharges in the Mesosphere, Surveys in Geophysics, vol: 29, issue: 2, pages: 71-137, 2008, Springer Netherlands, ISSN: 0169-3298, DOI: 10.1007/s10712-008-9043-1
Sentman et al., 1995: D.D. Sentman,  E.M. Wescott,  D.L. Osborne,  D.L. Hampton,  and M.J. Heavner, Preliminary  results  from  the Sprites94  aircraft campaign: 1. Red sprites
Geophysical  Research Letters, 1995, 1205–1208.
Su et al., 2003: Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere, Nature, 2003, 423, pp. 974–976.
Van der Velde et al., 2010:  Multi-instrumental observations of a positive gigantic jet produced by a winter thunderstorm in Europe, J. Geophys. Res., (2010) doi:10.1029/2010JD014442, in press.
Wescott et al., 1995: Preliminary  results  from the Sprites94  aircraft campaign:  2. Blue  jets Geo­physical Research Letters, 1995, 1209–1212.
Wilson C. T. R., 1925: The electric field of a thunderstorm and some of its effects. Proc R Soc Lond 37:32D, 1925.


Természet Világa, 142. évfolyam, 7. szám, 2011. július
http://www.termeszetvilaga.hu/
http://www.chemonet.hu/TermVil/