Наряду со всем известным и неоднократно наблюдаемым во время грозы электромагнитным разрядам облако – земля (молния), существуют гораздо более мощные и крупномасштабные явления в атмосфере – быстрые высоко-атмосферные светящиеся разряды, или, следуя сложившейся терминологии в этой области физики – транзиентные световые явления (англ. “transient luminous effects” – TLE). Эти разряды происходят гораздо выше, чем молнии, в нижней ионосфере, между облаком и ионосферой. Размеры этих явлений могут достигать нескольких сотен километров в горизонтальном направлении и около 100 км в высоту, а энергия в оптическом излучении сотен мегаджоулей! Первые описания наблюдений подобных вспышек относятся к концу 18 – началу 19 века (MacKenzie and Toynbee, 1886; Everett, 1903). Однако, активное изучение транзиентных световых явлений стало возможно с развитием быстрой записывающей техники и возможностью регистрации событий с борта самолёта и искусственных спутников Земли.

Дальнейшие исследования показали, что TLE лишь видимая часть комплексного явления, проявляющегося в ускорении элементарных частиц (электронов) вплоть до релятивистских скоростей, потоков рентгеновского излучения и гамма квантов, а так же интенсивного электромагнитного излучения низкой частоты. Так, в 1994 году на спутнике Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), предназначенном для регистрации гамма всплесков, были открыты вспышки гамма излучения, приходящего с поверхности Земли (им дали название земные гамма вспышки – англ. Terrestrial Gamma Flashes (TGF)), [1].

Феноменологическая классификация транзиентных световых явлений

На сегодняшний день по структурным особенностям, временным и энергетическим характеристикам выделяют следующие классы вспышек:

1. Голубые струи (blue jets). Разряды преимущественно синего свечения, развиваются вверх над облаками со скоростью, примерно 100 км/с до высот 40-50 км, общей длительностью порядка 100 мс [2]. Спектр свечения связан с возбуждением и дальнейшим переизлучением энергии молекулами азота, которые преобладают на этих высотах. Полная энергия голубой струи достигает 10⁷ Дж, в оптическом диапазоне выделяются десятки килоджоулей.
2.  Спрайты (sprites) - это более высоко-атмосферные вспышки, происходящие над грозовыми облаками на высотах 50 – 90 км. В ширину они достигают размеров десятков километров. Их структура подробно описана в работах Sentman et al, 1995 [3], где указывается на то, что они имеют яркое локализованное ядро, с размером в горизонтальном направлении ~ 2 км, кроме того существуют так называемые «усы», распространяющиеся вниз от основного ядра и которые простираются на 40 – 50 км от оси спрайта, изменяя свой цвет от красного до синего в самых нижних точках. Длительность спрайтов несколько десятков миллисекунд и происходят они спустя миллисекунды после разряда между облаком и землёй. Свечение преимущественно красного цвета (это линии возбуждения атомарного кислорода, которого много на этих высотах в атмосфере), светимость в максимуме –  10⁸ – 10⁹ фотонов/см²с. Энергия оптического излучения одиночных спрайтов 1 – 5 кДж, энергия же мощных спрайтов со сложной временной структурой может достигать 50 кДж.
3.  Эльфы (elves) – эти разряды происходят на высотах около 100 км, горизонтальные размеры достигают 200 – 700 км и время их развития – самое маленькое среди перечисленных явлений – составляет меньше 1 мс. Считается, что они инициированы электромагнитными импульсами от молниевых разрядов, которые разогревают ионосферу и вызывают её свечение в большой области, причём в отличие от спрайтов, которые возникают после положительных молниевых разрядов, появление эльфа происходит как при положительных так и при отрицательных, [4]. Интересно, что положительные разряды составляют всего 5 % от общего числа молний между облаками и землёй и происходят в малооблачных районах.
4.  Гало (halos) – морфологически напоминают эльфы, однако, они более длительны 3–6 мс, и происходят на более низких высотах (~80 км) и обладают меньшим горизонтальным размером (до 100 км).
5.  Гигантские струи (gigantic jets) – самые большие и мощные из всех известных высоко-атмосферных разрядов, развиваются над облаками и достигают высот около 100 км. Нижняя область излучает в УФ и синем диапазонах (область развития голубых струй, где преобладает азот), а верхняя – в красном за счёт свечения кислорода. Такие вспышки впервые наблюдались в эксперименте на Тайване [5].

Рисунок. 1. Высоко-атмосферные оптические вспышки.

Литература

1. G. J. Fishman, P. N. Bhat, R. Malozzi, J. M. Horack, T. Koshut, C. Kouvelioton, G. N. Pendleton, C. A. Meegan, R. B. Wilson, W. S. Paciesas, S. J. Goodman, and H. J. Christian (1994) "Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin," Science, vol. 264, pages 1313-1316.
2. Wescott, E., D. Sentman, D. Osborne, D. Hampton, and M. Heavner Preliminary results from the Sprites94 aircraft campaign. 2. Blue jets. // Geophys. Res. Lett. 1995, 22, 1209-1212.
3. Sentman D.D., Wescott E.M., et al. Preliminary results from Sprite94 aircraft campaign: 1. Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. 1995, 22, 1205 – 1208.
4. Inan U. S., Barrington-Leigh C., Hansen S., Glukhov V. S., Bell T. F., and Rairden R. Rapid Lateral Expansion of Optical Luminosity in Lightning-Induced Ionospheric Flashes Referred to as ‘Elves’. // Geophys. Res. Lett. 1997, 24, 5, pp. 583-586.
5. Su H. T. et al. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere. // Nature 2003, 423, p. 974-976.