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Red Sprites und Blue Jets - Elektrische Entladungen in die Hochatmosphäre - Jens Oberheide Bergische Universität Wuppertal Antrittsvorlesung, 4. Juni 2007.

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1 Red Sprites und Blue Jets - Elektrische Entladungen in die Hochatmosphäre - Jens Oberheide Bergische Universität Wuppertal Antrittsvorlesung, 4. Juni 2007 Williams, Physics Today, 2001

2 Phänomenologie Beobachtungen Physikalische Mechanismen Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre: Sind Sprites wichtig? Red Sprites und Blue Jets - Übersicht

3 Red Sprites über Ft. Collins, CO, 1995 Sprites sind elektrische Entladungen in der Hochatmosphäre ( km) über Gewittern. courtesy of Geophys. Inst., University of Alaska

4 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

5 ???? – 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

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7 ???? – Augenzeugenberichte über Flammen und Irrlichter oberhalb von Gewittern 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, – Berichte von Piloten Wright, Weather, – 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

8 Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System R. C. Franz; R. J. Nemzek; J. R. Winckler Science, Vol. 249, No , pp , Erstes Spritefoto 6. Juli 1989, 04:14:22 Uhr GMT Minneapolis, Minnesota, U.S. Einzelbild einer TV-Kamera (1/60 s) Kameraempfindlichkeit Lux Testmessung für Raketenexperiment Zufall! Bäume (ca. 50 m entfernt) Sprites (ca. 250 km entfernt)

9 Beobachtungsgeometrie Gewittersystem am Horizont, klarer Himmel dazwischen km Entfernung (10-20°) Völlige Dunkelheit: keine Dämmerung, Lichtverschmutzung, usw.

10 ???? – Augenzeugenberichte über Flammen und Irrlichter oberhalb von Gewittern 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, – Berichte von Piloten Wright, Weather, – 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

11 Red Sprites - Flugzeugmessung Höhenbereich: 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

12 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 2005 Foto: H. Lüthen

13 Blue Jets Höhenbereich: km Anbindung an Wolken Horizontale Ausdehnung: wenige km Dauer: einige 100 Millisekunden Strukturiert, aufwärts Reunion, 1997 Wescott et al., JGR 2001 Courtesy of Geophys. Inst. University of Alaska, 1994 Mt. Ida, Queensland, Australien, 1968 Lyons et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 2003

14 Pasko et al., Nature 2002 Giant Blue Jet Höhenbereich: km Horizontale Ausdehnung: wenige km Dauer: einige 100 Millisekunden Strukturiert, aufwärts 33 ms/frame

15 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

16 Giant Blue Jets Pixies Troll TLE – Transient Luminous Events

17 Physikalische Mechanismen

18 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

19 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!

20 +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=ε 0 /σ (Relaxationszeit, einige ms) aufrecht E abwärts (groß), ~1/z 3 (Dipolfeld) Bei Durchbruch: positive Streamer (abwärts), negative Streamer (aufwärts) neg. Streamer pos. Streamer

21 Sprites - Entstehung kritische Feldstärke für dielektrischen Durchbruch Feldstärken kurz nach pos. CG-Blitz in Abhängigkeit vom Dipolmoment Sprite bei Überschreiten der kritischen Feldstärke! Lawinenbildung; Streamer in Gasentladung ~ρ Luft ~1/10 c

22 N 2 + (1NG) N 2 (2PG) N 2 (1PG) N 2 + (M) A2ΠuA2Πu Spektrum und Farben der Sprites dominiert durch N 2 (1PG) dominiert durch N 2 (2PG) ( nm) Bucsela et al., 2003; Morrill et al., 2002; Milikh et al., 1998

23 Modellierte Sprites N 2 (1PG) N 2 (2PG) courtesy of V. Yukhimuk, LANL

24 Blue Jets - Entstehung Endhöhe h i erreicht, wenn τ σ =ε 0 /σ(h i ) t(h i ) dielektrische Relaxationszeit = Laufzeit des Jets v Jet : 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)

25 Blue Jets – Spektrum und Modellsimulation 80% N 2 (2PG) 20% N 2 + (1NG) Modellsimulation eines Giant Blue Jets Pasko and George, JGR 2002

26 Elves - Entstehung Normaler CG-Blitz ist Sequenz von Entladungen Hauptentladung ist der Return Stroke ~70 μs I = kA Positiver Streamer aufwärts dI/dt groß courtesy of NASA

27 Return stroke ist sich aufwärts bewegender, gepulster Dipol, radiale Abstrahlung sich aufwärts ausbreitender elektromagnetischer Impuls (EMP) Elves - Entstehung EMPs 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 km Höhe überschritten werden Anregung von N 2 (1PG), Donut-Struktur Dauer < 1ms Häufig gefolgt von Sprites Barrington-Leigh and Inan, GRL 1999 >100 km

28 Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre: Sind Sprites wichtig?

29 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

30 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!

31 Ionosphäre (~80 km) V=+250 kV, Q=2*10 5 C I 0 =1,25 kA R=200 Ω ca Gewitter gleichzeitig Gesamtstrom durch Gewitter: I 0 =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

32 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*10 14 m 2 = 2 μW/m 2 (Obergrenze!) -Globaler Energieeintrag in Mesosphäre (nur solare Strahlung): 4 mW/m 2 Sprites tragen weniger als 1 zur Energiebilanz bei, nicht wichtig

33 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, ΔO 3 < 1% -ΔHO 2 = -45% -ΔOH = +250% Sprites für Chemie auf globaler Skala wahrscheinlich nicht wichtig, noch nicht abschließend geklärt

34 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!

35 Williams, Physics Today, 2001

36 Globaler Elektrischer Kreislauf Typ. Werte über Gewitterwolken: -Elektrische Leitfähigkeit: σ=4* S/m -Elektrisches Feld: E=2,5*10 3 V/m -Fläche: F=10 8 m 2 (100 km 2 ) Stromdichte j=σE=10 -8 A/m 2 Strom je Wolke: I=j*F=1 A Ionosphäre (~80 km) V=+250 kV I 0 =1,25 kA R=200 Ω ca Gewitter gleichzeitig Gesamtstrom durch Gewitter: I 0 =1,25 kA Schönwetter-Widerstand: R=200 Ω (aus Leitfähigkeit) Ionosphärenpotential: V=+250 kV

37 Blitzhäufigkeit (Blitze pro km 2 und Jahr) Zu jeder Zeit gibt es ~1000 Gewitter weltweit, auf <1% der Erdoberfläche!

38 TLE Höhen- bereich Horizontale Ausdehnung Struktur Scheinbare Bewegung Dauer Beobach -tungen Sprites (Kobolde) ~50-90 km~1-20 km oben (>80 km): diffus unten (<70 km): strukturiert oben: aufwärts unten: abwärts wenige ms >10000 Elves (Elfen) ~100 km>100 kmdiffus seitliche Ausdehnung wenige ms einige 100 Blue Jets~18-45 kmwenige kmstrukturiertaufwärts100 ms<100 Giant Blue Jets ~18-75 kmwenige kmstrukturiertaufwärts100 ms<10 Halos~75 km~50 kmdiffusabwärts1 ms einige 1000 Trolls (Trolle) ~60-70 km~1 kmstrukturiert aufwärts innerhalb Spriteranken 100 ms einige 100 Pixies (Feen) ~15-18 km~100 mkompaktstationär100 ms10 (?) TLE – Transient Luminous Events


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