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

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

3. Red Sprites über Ft. Collins, CO, 1995 courtesy of Geophys. Inst., University of Alaska Sprites sind elektrische Entladungen in der Hochatmosphäre (50-100 km) über Gewittern.

4. Blue Jet über Reunion, 1997 Wescott et al., JGR 2001 ca. 40 km 18 km (Wolkenoberkante) Jets sind elektrische Entladungen in der mittleren Atmosphäre (15-50 km) über Gewittern.

5. 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

7. 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

8. 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! Sprites (ca. 250 km entfernt) Bäume (ca. 50 m entfernt) 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. 4964., pp. 48-51, 1990.

9. Beobachtungsgeometrie • Gewittersystem am Horizont, klarer Himmel dazwischen • 200-300 km Entfernung (10-20°) • Völlige Dunkelheit: keine Dämmerung, Lichtverschmutzung, usw.

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

11. Red Sprites - Flugzeugmessung 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)  • Höhenbereich: 50-90 km → keine Anbindung an Wolken • Horizontale Ausdehnung: 1-20 km • Dauer: einige Millisekunden • Struktur: • oben: diffus, aufwärts • unten: strukturiert, abwärts 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: 18-45 km → Anbindung an Wolken • Horizontale Ausdehnung: wenige km • Dauer: einige 100 Millisekunden • Strukturiert, aufwärts Reunion, 1997 Wescott et al., JGR 2001 Mt. Ida, Queensland, Australien, 1968 Lyons et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 2003 Courtesy of Geophys. Inst. University of Alaska, 1994

14. Giant Blue Jet • Höhenbereich: 18-75 km • Horizontale Ausdehnung: wenige km • Dauer: einige 100 Millisekunden • Strukturiert, aufwärts 33 ms/frame Pasko et al., Nature 2002

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. TLE – Transient Luminous Events Giant Blue Jets Troll Pixies

17. Physikalische Mechanismen

18. Ladungsverteilung in Gewitterwolken + Graupel Aufwind - + 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 Positive CG • Anteil 5-10% • Bis zu 50% in Wintergewittern • Große (100 kA) Stromamplituden • Häufig am Ende der Gewitter • Häufig in starken Gewittern Sprites werden nur in Verbindung mit positiven CG-Blitzen beobachtet!

20. Sprites - Entstehung +250 kV neg. Streamer pos. Streamer +100 MV -100 MV 0 V • Dipolfeld der Wolke wird durch Raumladungen abgeschirmt • Influenzeffekt, da Leitfähigkeit σhöhenabhängig • E aufwärts (klein) • 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) z

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

22. Spektrum und Farben der Sprites A2Πu N2+(1NG) N2+(M) N2(2PG) N2(1PG) dominiert durch N2(1PG) dominiert durch N2(2PG) (300-500 nm) Bucsela et al., 2003; Morrill et al., 2002; Milikh et al., 1998

23. Modellierte Sprites N2(1PG) N2(2PG) courtesy of V. Yukhimuk, LANL

24. Blue Jets - Entstehung • 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) • 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

25. Blue Jets – Spektrum und Modellsimulation • 80% N2(2PG) • 20% N2+(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 = 10 - 100 kA • Positiver Streamer • → aufwärts • → dI/dt groß courtesy of NASA

27. Elves - Entstehung >100 km „Return stroke“ ist sich aufwärts bewegender, gepulster Dipol, radiale Abstrahlung → sich aufwärts ausbreitender elektromagnetischer Impuls (EMP) • 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

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 Hu et al., GRL 2002 Sato and Fukunishi, GRL 2003

30. Wie häufig sind Sprites? Sommer Globale Verteilung von Dipolmomenten Spriteraten Herbst Winter Nur starke Blitze! Untergrenze: 720 Sprites/Tag (0,5/min) • Obergrenze: 60/min • ca. 10 CG-Blitze/Sekunde • ca. 10% davon sind +CG Spriteraten Sato and Fukunishi, GRL 2003

31. Sprites und globaler elektrischer Kreislauf Ionosphäre (~80 km) V=+250 kV, Q=2*105 C • 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 I0=1,25 kA R=200 Ω → Sprites haben keine Auswirkungen auf den globalen elektrischen Kreislauf • 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

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*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

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, ΔO3 < 1% • ΔHO2 = -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