21/4/17

Red Sprites: Παρατήρηση & φωτογράφιση


Η πρώτη έγχρωμη εικόνα ενός μεγάλου sprite, από αεροπλάνο, το 1994.

==========================================================

Το red sprite κατατάσσεται στα TLE's (Transient Luminous Event, δηλαδή παροδικό φωτεινό γεγονός) και είναι ένα σπάνιο ως πολύ σπάνιο ατμοσφαιρικό φαινόμενο που συνδέεται άμεσα με κεραυνούς θετικού φορτίου (positive CG's) σε ιδιαίτερα δραστήρια συμπλέγματα καταιγίδων. Στατιστικά, μόλις το 5-10% περίπου όλων των κεραυνών είναι θετικού φορτίου. Ορισμένοι, ελάχιστοι τέτοιοι κεραυνοί θα συνοδευτούν και από sprite.

Εμφανίζεται στη μεσόσφαιρα και σε ύψη από 30-40 ως 90 km χοντρικά, με ένα μέσο ύψος στα 60-70 km. Η εμφάνιση αυτών των φαινομένων, είναι αποτέλεσμα ενός τοπικού ορυμαγδού διεγέρσεων και ιονισμών των μορίων της ατμόσφαιρας (κυρίως μοριακού αζώτου) και προκαλούνται από προϋπάρχουσες διαταραχές (στήλες κρύου πλάσματος, δηλαδή μερικώς ιονισμένου αερίου ήτοι αποτελούμενου από ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια) στη περιοχή εκείνη. Έχουν προταθεί διάφορα αίτια που μπορεί να ευθύνονται για αυτές τις διαταραχές στη μεσόσφαιρα και την ιονόσφαιρα. Από ατμοσφαιρικά βαρυτικά κύματα, κοσμικές ακτίνες μέχρι και πτώσεις μετεώρων. Η πρόσκαιρη ισχυροποίηση του ημί-στατικού ηλεκτρικού πεδίου ανάμεσα στην ιονόσφαιρα και τη κορυφή του καταιγιδοφόρου νέφους, που οφείλεται σε ισχυρές εκκενώσεις +CG, διαδραματίζει επικουρικό ρόλο στην επιτάχυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και τη ταχύτατη αύξηση των διεγέρσεων / ιονισμών μέσω κρούσεων.


Οι επανασυνδέσεις / αποδιεγέρσεις που ακολουθούν, είναι υπεύθυνες για το, κατά βάση, ερυθρό-πορτοκαλί φως που καταγράφεται, αν και στα χαμηλότερα άκρα τους, αποκτούν σταδιακά μπλε χρώμα. Το πλάτος ενός μεγάλου sprite μπορεί να φτάνει και τα 50 km. Τα μεγαλύτερα από αυτά μοιάζουν με κόκκινες «μέδουσες», ενώ τα μικρότερα με πορτοκαλο-κόκκινα «καρότα». Η διάρκεια τους είναι λίγο μικρότερη από εκείνη του κεραυνού που όλοι γνωρίζουμε, ήτοι από μερικά ms ως μερικές δεκάδες ms, δηλαδή της τάξης των χιλιοστών ως εκατοστών του δευτερολέπτου.

Οι αρχικές υποθέσεις, ήθελαν, εύλογα, η πρόσκαιρη ισχυροποίηση αυτού του ηλεκτρικού πεδίου να είναι αρκετά μεγάλη, ώστε να οδηγεί σε κατάρρευση του διηλεκτρικού με τη μορφή sprites πάνω από το νέφος, στα προαναφερθέντα ύψη. Ωστόσο, μεταγενέστερες έρευνες και παρατηρήσεις έδειξαν ότι η παρουσία αυτών των φαινομένων συνοδευόταν από τιμές του συγκεκριμένου πεδίου που ήταν υποπολλαπλάσιες της κρίσιμης τιμής κατάρρευσης.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα εκπομπής τους, δηλαδή εν ολίγοις, το φως που εκπέμπουν, κατά κύριο λόγο, είναι εκτός του ορατού (400-700 nm) φάσματος. Όπως παρατηρείτε στο ακόλουθο γράφημα, το μεγαλύτερο μέρος είναι στο υπέρυθρο (>700 nm) και το υπεριώδες (<400 nm) κομμάτι του φάσματος.


Μια φωτογραφική μηχανή dslr, μπορεί να καταγράψει ένα τέτοιο φαινόμενο (βλέπε τις ακόλουθες φωτογραφίες, οι πρώτες δυο του Δημήτρη Σαγιάκου και οι επόμενες δυο του Χρήστου Ντουντουλάκη από πολυκυτταρικές καταιγίδες). Χοντρικά με ένα iso της τάξης των 3000-5000, με διάφραγμα γύρω στο f/2.8 με f/3.2 είναι οριακά αρκετά για να συλληφθεί ένα τέτοιο φαινόμενο, ακόμη και στη μικρότερη εκδοχή του, από μία μη-τροποποιημένη dslr.


Μάλιστα έχουν υπάρξει και αναφορές για θέαση τέτοιων φαινομένων, δια γυμνού οφθαλμού, από παλιά. Πως όμως είναι δυνατόν, το ανθρώπινο μάτι να διακρίνει ένα φαινόμενο που διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου και το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος εκπομπής του είναι εκτός του ορατού; Μέρος της απάντησης δίδεται από το γεγονός ότι ναι μεν το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος εκπομπής είναι εκτός του ορατού, αλλά αυτό που είναι εντός είναι αρκετό για να καταγραφεί υπό συγκεκριμένες ευνοϊκές συνθήκες. Για να απαντήσουμε πληρέστερα σε αυτό το ερώτημα ωστόσο, θα χρειαστεί να γνωρίσουμε καλύτερα το μάτι μας, όπως και να δούμε κάποια πράγματα που ίσως να μην γνωρίζουν οι περισσότεροι.

Καταρχάς, πάμε να δούμε, σε ένα σχήμα για ευκολία, ποιο είναι το φάσμα απορρόφησης του ματιού μας, το φάσμα απορρόφησης ενός τυπικού, μη-τροποποιημένου αισθητήρα μιας dslr φωτογραφικής μηχανής και το φάσμα εκπομπής ενός red sprite, δηλαδή, εν ολίγοις, τι "δίνει" το sprite και τι "παίρνει" το μάτι μας και το "μάτι" της μηχανής μας.


Για ευκολία, ακολουθεί απομονωμένο το ολοκληρωμένο φάσμα πάνω στις ορατές συχνότητες, για το μάτι μας και για μια dslr.


Παρατηρήστε ότι λίγο-πολύ, οι διαφορές είναι ελάχιστες. Τι συμβαίνει όμως όταν το μάτι μας βρίσκεται σε ένα σκοτεινό περιβάλλον; Καταρχάς το μάτι μας χρειάζεται μερικά λεπτά (ως 30') για να προσαρμοστεί σε ένα αρκούντως σκοτεινό περιβάλλον, μακριά από τα φώτα των πόλεων. Όταν προσαρμοστεί, τότε το φυσικό διάφραγμα του ματιού, η κόρη, έχει διασταλεί αρκετά, ώστε να μπορεί να είναι πιο ευαίσθητο στο φως. Αν και η σύγκριση είναι αρκετά απλοϊκή, ωστόσο αν έπρεπε να περιγράψουμε το μάτι μας, υπό αυτές τις σκοτεινές συνθήκες, με φωτογραφικά δεδομένα, θα λέγαμε πως αντιστοιχεί σε ένα φακό με ρυθμίσεις διαφράγματος f/2 και iso 800. Οι συχνότητες στις οποίες είναι πιο ευαίσθητο το μάτι, διαφέρουν, σε σχέση με εκείνες σε ένα φωτεινό περιβάλλον (βλέπε ακόλουθο σχήμα).


Συγκεκριμένα, η ευαισθησία του ματιού μας αυξάνει αρκετά τη νύχτα, ενώ το μέγιστο της καμπύλης συχνοτήτων μετατοπίζεται προς το ιώδες. Πάντως, όσο αφορά το σκοτάδι, η προσοχή ας εστιαστεί περισσότερο στην ευαισθησία και λιγότερο στη συχνότητα, καθώς το μάτι μας δεν μπορεί να διακρίνει χρώματα, παρά μόνο αποχρώσεις του γκρι, σε ένα αρκούντως σκοτεινό περιβάλλον. Επομένως, ένα red sprite κατά κανόνα θα το δείτε άχρωμο ή σχεδόν άχρωμο.

Από τη στιγμή που το μάτι μας έχει προσαρμοστεί σε ένα αρκούντως και ομοιογενώς σκοτεινό περιβάλλον, η συμπεριφορά του αλλάζει σε σχέση με αυτό που έχουμε συνηθίσει στα γνώριμα φωτεινά περιβάλλοντα του σπιτιού μας ή των πόλεων. Συγκεκριμένα, ακόμη και μια αναλαμπή που μπορεί να αποδώσει μερικά μόλις φωτόνια στο μάτι μας, μπορεί να γίνει αντιληπτή, ακόμη και αν διαρκεί μερικά ms (όπως π.χ. ένα red sprite). Ένα κάτω όριο στη χρονική διάρκεια ενός τέτοιου γεγονότος, που μπορεί να γίνει αντιληπτό από το μάτι, κυμαίνεται από 1/100 ως 1/500 του δευτερολέπτου!

Εν κατακλείδι, αν θέλετε να δείτε ή/και να καταγράψετε ένα red-sprite, θα χρειαστείτε ένα αρκετά σκοτεινό μέρος μακριά από τα φώτα των πόλεων, μία αρκετά δραστήρια καταιγίδα (ενδεχομένως υπερκυτταρική / πολυκυτταρική για να αυξηθούν οι πιθανότητες σας) σχετικά μακριά από εσάς, ώστε να έχετε καθαρό ουρανό από πάνω σας, πολλή υπομονή, μια dslr και ένα τρίποδο βεβαίως. Εφόσον προσαρμοστούν τα μάτια σας στο σκοτάδι (αν μπορείτε να δείτε τον Γαλαξία, τότε είστε έτοιμοι), τότε κοιτάτε πάνω από το καταιγιδοφόρο νέφος. Όταν λέμε πάνω, εννοούμε σχετικά ψηλά. Αυτά τα φαινόμενα δεν συνδέονται με το νέφος, όπως συνδέονται π.χ. οι κεραυνοί, και εμφανίζονται αρκετά πιο πάνω από αυτό (μία αίσθηση, μπορείτε να έχετε και από τις παραπάνω φωτογραφίες). Αυτό που θα δείτε, αν τα καταφέρετε, θα είναι πολύ σύντομο, γενικά αμυδρό και κατά βάση άχρωμο. Η μηχανή σας όμως, θα έχει φροντίσει να συλλάβει αυτή τη σπάνια στιγμή!

==========================================================

Πηγές

1) https://www.nature.com/articles/ncomms8540

2) https://macul.ciencias.uchile.cl/alejo/thesis/node6.html

3) https://opentextbc.ca/anatomyandphysiology/chapter/14-1-sensory-perception/

4) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/bright.html

5) https://www.bhphotovideo.com/c/find/newsLetter/The-Photographic-Eye.jsp

6) http://clarkvision.com/imagedetail/eye-resolution.html

7) http://earthweb.ess.washington.edu/space/AtmosElec/spriteinfo.html


==========================================================

Δεν υπάρχουν σχόλια: