En detaljerad 3D-studie av en massiv elektrisk urladdning som steg 50 miles upp i rymden ovanför ett Oklahoma-åskväder har gett ny information om ett svårfångat atmosfäriskt fenomen som kallas gigantiska jetstrålar. Oklahoma-urladdningen var den mest kraftfulla gigantiska jet som studerats hittills, och bär 100 gånger så mycket elektrisk laddning som ett typiskt åskväder.

Den gigantiska jetstrålen flyttade uppskattningsvis 300 coulombs elektrisk laddning in i jonosfären - rymdens nedre kant - från åskvädret. Typiska blixtar bär mindre än fem coulombs mellan molnet och marken eller inom moln. Den uppåtgående urladdningen inkluderade relativt svala (ungefär 400 grader Fahrenheit) plasmastreamers, såväl som strukturer som kallas ledare som är mycket varma – mer än 8 000 grader Fahrenheit.

"Vi kunde kartlägga denna gigantiska jet i tre dimensioner med riktigt högkvalitativ data", säger Levi Boggs, en forskare vid Georgia Tech Research Institute (GTRI) och tidningens motsvarande författare. "Vi kunde se mycket högfrekventa (VHF) källor ovanför molntoppen, som inte hade setts tidigare med denna detaljnivå. Med hjälp av satellit- och radardata kunde vi ta reda på var den mycket heta ledardelen av urladdningen var placerad ovanför molnet."

Boggs arbetade med en forskargrupp med flera organisationer, inklusive Universities Space Research Association (USRA), Texas Tech University, University of New Hampshire, Politecnica de Catalunya, Duke University, University of Oklahoma, NOAA:s National Severe Storms Laboratory och Los Alamos National Laboratory. Forskningen rapporteras den 3 augusti i Science Advances .

Steve Cummer, professor i el- och datorteknik vid Duke, använder de elektromagnetiska vågorna som blixten sänder ut för att studera det kraftfulla fenomenet. Han driver en forskningsplats där sensorer som liknar konventionella antenner är placerade i ett annars tomt fält och väntar på att fånga upp signaler från lokalt förekommande stormar.

"VHF-signalerna och de optiska signalerna bekräftade definitivt vad forskare hade misstänkt men ännu inte bevisat:att VHF-radion från blixten sänds ut av små strukturer som kallas streamers som är i spetsen av den utvecklande blixten, medan den starkaste elektriska strömmen flyter avsevärt bakom denna. spets i en elektriskt ledande kanal som kallas en ledare," sa Cummer.

Doug Mach, en medförfattare till artikeln vid Universities Space Research Association (USRA), sa att studien var unik när det gällde att fastställa att 3D-platserna för blixtarnas optiska emissioner var långt över molntopparna.

"Det faktum att den gigantiska jetstrålen upptäcktes av flera system, inklusive Lightning Mapping Array och två geostationära optiska blixtinstrument, var en unik händelse och ger oss mycket mer information om gigantiska jetstrålar," sa Mach. "Mycket viktigare är att detta förmodligen är första gången som en gigantisk jetplan har kartlagts tredimensionellt ovanför molnen med instrumentuppsättningen Geostationary Lightning Mapper (GLM)."

Gigantiska jetstrålar har observerats och studerats under de senaste två decennierna, men eftersom det inte finns något specifikt observationssystem för att leta efter dem, har upptäckter varit sällsynta. Boggs fick reda på händelsen i Oklahoma från en kollega, som berättade för honom om ett gigantiskt jetplan som hade fotograferats av en medborgarforskare som hade en kamera med svagt ljus i drift den 14 maj 2018.

Lyckligtvis ägde evenemanget rum på en plats med ett närliggande VHF-blixtkartläggningssystem, inom räckhåll för två Next Generation Weather Radar (NEXRAD) platser och tillgängligt för instrument på satelliter från NOAA:s geostationära operativa miljösatellit (GOES) nätverk. Boggs fastställde att data från dessa system var tillgängliga och arbetade med kollegor för att sammanföra dem för analys.

"De detaljerade uppgifterna visade att dessa kalla streamers börjar sprida sig precis ovanför molntoppen," förklarade Boggs. "De fortplantar sig hela vägen till den nedre jonosfären till en höjd av 50–60 miles, och skapar en direkt elektrisk förbindelse mellan molntoppen och den nedre jonosfären, som är den nedre kanten av rymden."

Den anslutningen överför tusentals ampere ström på ungefär en sekund. Den uppåtgående urladdningen överförde negativ laddning från molnet till jonosfären, typiskt för gigantiska jetstrålar.

Data visade att när urladdningen steg upp från molntoppen, upptäcktes VHF-radiokällor på höjder av 22 till 45 kilometer (13 till 28 miles), medan optiska utsläpp från blixtledarna förblev nära molntoppen på en höjd av 15 till 20 kilometer (9 till 12 miles). Den samtidiga 3D-radion och optiska data indikerar att VHF-blixtnätverk upptäcker emissioner från streamer-korona snarare än ledarkanalen, vilket har breda konsekvenser för blixtfysik utöver det från gigantiska jetstrålar.

Varför skjuter de gigantiska jetplanen ut i rymden? Forskare spekulerar i att något kan blockera laddningsflödet nedåt - eller mot andra moln. Registreringar från Oklahoma-händelsen visar lite blixtaktivitet från stormen innan den avfyrade det rekordstora gigantiska jetplanet.

"Av någon anledning finns det vanligtvis ett undertryckande av moln-till-jord-utsläpp," sa Boggs. "Det finns en uppbyggnad av negativ laddning, och då tror vi att förhållandena i stormtoppen försvagar det översta laddningsskiktet, vilket vanligtvis är positivt. I frånvaro av de blixtladdningar vi normalt ser kan den gigantiska strålen avlasta uppbyggnaden av överskott av negativ laddning i molnet."

För närvarande finns det många obesvarade frågor om gigantiska jetplan, som ingår i en klass av mystiska övergående ljushändelser. Det beror på att observationer av dem är sällsynta och sker av en slump – från piloter eller flygpassagerare som råkar se dem eller markobservatörer som använder kameror för nattskanning.

Uppskattningar för frekvensen av gigantiska jetstrålar sträcker sig från 1 000 per år upp till 50 000 per år. De har rapporterats oftare i tropiska områden i världen. Det gigantiska jetplanet från Oklahoma – som var dubbelt så kraftfullt som det näst starkaste – var dock inte en del av ett tropiskt stormsystem.

Utöver deras nyhet, kan gigantiska jetplan ha en inverkan på driften av satelliter i låg omloppsbana, sa Boggs. När fler av dessa rymdfordon lanseras kan signalförsämring och prestandaproblem bli mer betydande. De gigantiska jetplanen kan också påverka teknologier som radar över horisonten som studsar radiovågor från jonosfären.

Boggs är anslutet till Severe Storms Research Center, som etablerades vid GTRI för att utveckla förbättrad teknik för att varna för svåra stormar, såsom tornados, som är vanliga i Georgia. Arbetet med gigantiska jetplan och andra atmosfäriska fenomen är en del av det arbetet. + Utforska vidare

Hur slår positiva moln-till-jord-blixtar ner så långt bort från sitt ursprung?