Icon up Overzicht

Red Sprites

Onderwerp: Elektrische stroom, Weerkunde en oceanografie

'Red Sprites', 'Elves' en 'Blue Jets'. De namen doen denken aan American Football teams, maar achter deze kleurrijke namen schuilen echter elektrische verschijnselen die pas recentelijk ondekt zijn. Voor het eerst in 1989 werden ze bij toeval vastgelegd. Omdat de plaats (hoog in de atmosfeer) en het tijdstip onvoorspelbaar zijn, is nog niet alles over deze verschijnselen bekend. Dit artikel vertelt je voornamelijk over red sprites; waar, wanneer en hoe ontstaan ze?

Onweer is een van de meest voorkomende natuurlijke verschijnselen; het ontstaat door een potentiaalverschil (spanning) tussen wolken in de lucht en de aarde. Dit is een gevolg van activiteiten in onze atmosfeer, die altijd in beweging is. De 'lucht' in onze atmosfeer is eigenlijk een gas dat voortdurend elektrisch geladen (geïoniseerd) wordt door allerlei ingewikkelde processen. Zo zorgen onder andere radioactieve stoffen in de aardbodem en hoog energetische deeltjes uit het heelal ervoor dat er zich ionenparen vormen in de lucht, en ook bewegingen van warme 'fronten' in de atmosfeer zorgen voor de ionisatie van deeltjes.

Cijfertjes m.b.t. bliksem: de temperatuur in een ontlading kan oplopen tot ongeveer 30.000 ºC en de gemiddelde stroomsterkte is zo'n 60 kA. Een bliksemschicht is gemiddeld 5 tot 6,5 kilometer lang en 2,5 cm in doorsnede. (bron: www.knmi.nl)

Minder bekend is dat hoog boven onweersbuien ook ontladingen plaatsvinden. Deze ontladingen zijn minder bekend omdat ze op een hoogte van ongeveer 80 tot 100 km boven het aardoppervlak plaatsvinden, en bovendien niet te zien zijn van onder een onweerswolk. Deze ontladingen zijn ondere andere de 'Red Sprites'.

Lees meer over onweer en bliksem(afleiding) in het artikel Bliksemafleiding.

Het ontstaan van Sprites

Wanneer een reguliere bliksem in contact komt met het aardoppervlak, verandert dat de elektrische eigenschappen van de atmosfeer erboven ook en dat heeft tot gevolg dat er zich een ontstekingspunt vormt hoog boven de onweerswolk. Kort hierna loopt er een ontlading razendsnel van het ontstekingspunt naar de wolk en legt hierbij een afstand af van ongeveer 30-50 km. De sprite, zoals deze ontlading genoemd wordt, ontwikkelt zichzelf in een tijdsduur van 2 milliseconde en begint daarna al te vervagen. De breedte van zo'n sprite verschilt en kan oplopen tot zelfs 100 km. De reden waarom dit gepaard gaat met het uitzenden van licht, is dezelfde als voor de bliksem die we al kennen. De atmosfeer is een gas en bestaat dus uit allemaal deeltjes en moleculen. Wanneer deze moleculen met elkaar botsen of beschenen worden met (energierijk) licht, zenden de moleculen zelf ook licht uit.

Figuur 1: Door drukverschillen in de atmosfeer verschilt de kleur met de hoogte.

Door de enorme ladingsverschillen in de atmosfeer op het moment vlak voor een sprite worden elektronen in de atmosfeer versneld waardoor zij botsen met andere deeltjes, die dan licht uitzenden, enzovoorts. Doordat er een verschil in druk is op verschillende hoogtes in de atmosfeer, is de kleur die uitgezonden wordt niet overal hetzelfde, maar is blauw vlak boven de onweerswolk, en rood naarmate hij hoger reikt (vandaar 'red sprite'), zie figuur 1.

De ontdekking

Het schijnt dat waarnemers al sinds 1886 verslag gedaan hebben van sprites. Je moet je beseffen dat deze ontladingen in een extreem kleine tijdsduur ontstaan en weer verdwijnen; als je met je ogen knippert kun je er al één missen! Hoe moet je, zonder de fotocamera's van tegenwoordig, iemand ervan overtuigen dat je een sprite hebt waargenomen en zeker weten dat het niet je eigen verbeelding was? Vooral de wetenschap heeft bewijs nodig, dat zulk soort fabelachtige flitsen echt plaatsvinden.
In de nacht van 6 juli 1989 was het, dat dit bewijs bij toeval geleverd werd door de Amerikaanse professor John Winckler en zijn studenten. Zij waren een low-light CCD camera in de nacht aan het testen voor een ander onderzoek en op de beelden hadden zij per ongeluk een sprite vastgelegd. Er vanuit gaande dat deze verschijnselen te maken hadden met een onweersbui op 200 km afstand, moesten deze flitsen zich volgens geometrie op tientallen kilometers boven de wolk hebben gevormd. Vanaf dat moment is het onderzoek naar sprites begonnen en vandaag de dag zijn er voor onderzoekers nog steeds veel dingen niet duidelijk.

Sprite Observatie

 

Omdat sprites zo hoog plaatsvinden en maar voor een kleine tijdsduur bestaan, heb je bijna niet door wanneer je er één hebt waargenomen; vandaar de naam 'Sprite' van het Engelse woord voor 'geest'. Ook voor wetenschappers en onderzoekers is het waarnemen geen makkelijke taak. Omdat sprites zich boven onweerswolken vormen kun je ze niet waarnemen als je je onder de onweerswolk bevindt. De optimale afstand om sprites waar te nemen is daarom ongeveer 150-200 km. Bovendien creëert niet elke onweerswolk de juiste omstandigheden voor sprites; er is wel echt een hevige onweersbui nodig. Het vastleggen van sprites is een erg moeilijke taak omdat de lichtintensiteit (lichtsterkte) op zo'n grote afstand klein is en de tijdsduur van bestaan kort. Onderzoekers maken veelal gebruik van een hele rij met photometers en low-light CCD camera's, waarmee ze met een grote snelheid veel afbeeldingen kunnen vastleggen om zo het verloop van de sprites te onderzoeken.

Figuur 2: Twee afbeeldingen van sprites, de linker is gemaakt met behulp van een low-light CCD camera en de rechter met behulp van een speciale nachtvisie functie. De wolken uit de rechterfoto doen vermoeden dat de sprite uit de wolken komt, maar deze bevinden zich in de voorgrond. Bron: http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html

Blue Jets en Elves

Figuur 3: Ordes van hoogte van de TLE's.

Red sprites zijn niet enige vorm van optische emissie boven een actieve onweerswolk. Uit waarnemingen is gebleken dat er uit een hevige onweerswolk ook zogenaamde 'Blue Jets' geschoten kunnen worden. Dit zijn flitsen die in de vorm van een relatief smalle straal, spray of kegel, uit de onweerswolk lijken te komen. Een andere vorm van kortdurende lichtverschijnselen (TLE's: Transient Luminous Events) zijn 'Elves', ook hoog boven de onweerswolk . Dit verschijnsel is eigenlijk een enorme schijf die met een enorme snelheid uitdijt. Zie figuur 3. Naar deze verschijnselen wordt momenteel nog veel onderzoek gedaan en hopelijk wordt de komende tijd meer duidelijk over o.a. onder welke omstandigheden en waarom ze ontstaan.