Rövid áttekintés, a FEF jelenségkör

A zivatarfelhők (Cumulonimbus, Cb) a légköri elektromosság leglátványosabb megnyilvánulási formáinak a bölcsői. Az elektromos töltéseket szétválasztó dinamikus folyamatok ezekben a felhőkben nagy sűrűségű, különböző töltésű gócokat hoznak létre. Amikor valamely töltésgóc elektromos tere meghalad egy kritikus értéket, egy töltésáram indul meg és kialakul egy elektromos kisülés.

A villámok a felhő belsejében (ellentétes töltésű gócok között), a föld felé lecsapva, esetleg közeli felhők között következnek be. Az ún. felhővillámok közé soroljuk a felhő és az azt láthatatlanul közelről körülvevő elektromosan töltött burok közötti, ún. felhő-levegő villámokat is. A zivatarfelhőt körbevevő töltött burok a zivatarfelhő töltéseinek elektromos tere által a felhő közelébe vonzott, egyébként a légkörben valamilyen mértékben mindig jelen levő szabad töltött részecskékből áll.

A villámkisülések típusai: felhőn belüli, felhők közötti, lecsapó, illetve felhő-levegő villámok.

A villámokban az elektromos töltések nagy energiával rendelkeznek és a kisülési csatornájukat képesek úgy felfűteni, hogy benne forró plazma állapotba kerül a levegő, szinte fehéren izzik – ez a fehér villámfény.

A légköri kisülések egy másik csoportja esetében egy kevésbé energikus töltésáramlás indul meg egy kellően erős, de a villámok kialakulásához szükséges kritikus értéket még el nem érő elektromos térben. A kisülési csatornában a levegő ionizációja és gerjesztése bekövetkezik, de a folyamat csak az ún. hideg plazma állapotig jut el (az elektronok nagy energiájúak, a semleges levegő és az ionok azonban nem forróak).

Az ilyen kisülések túlnyomó részben a felhőzet tetején vagy fölötte, akár több tíz km magasságban következnek be. Ezeket nevezhetjük felhők feletti elektromos eredetű fényfelvillanásoknak (FEF jelenségkör, a szakirodalomban transient luminous events – TLE). Az erősen töltött zivatarfelhők alatt földközelben, hegyes-éles tárgyakon kialakuló kékes koronakisülés (Szent Elmo tüze) ugyanez a jelenség.

A folyamat során keletkező fény a villámfénynél gyengébb intenzitású (de azért nem gyenge), cserébe jellemzően különböző színű aszerint, hogy milyen magasságban (= milyen légköri nyomáson), milyen részecskék mennyire energikus gerjesztéséből származik. Viszonylag alacsonyan (30-40 km-es magasságig) kékes-lilás, magasabban (80-90 km-ig) inkább vörös, míg 90-100 km közelében, főleg a légköri oxigén gerjesztéséből adódóan zöldes színek jelenhetnek meg.

A felhők feletti elektromos eredetű fényfelvillanások (FEF) típusai

A FEF jelenségkör elemeinek alakja a keletkezés mechanizmusától és a forrásfolyamat tulajdonságaitól függően sokféle. Valamennyi FEF közös jellemzője, hogy a másodperc töredékéig tart csupán és csak éjszaka figyelhető meg.

Videó a FEF jelenségkör számos elemével (Facebook) (Hanggal!)

Keletkezésük és tulajdonságaik

Nagyobb magasságban, alacsonyabb nyomáson, azaz kisebb légsűrűségben a földközelben kritikus értékhez képest gyengébb elektromos térben is kialakulhat elektromos kisülés. Ha a zivatarfelhő valamely részében, leggyakrabban egy kiemelkedően erős lecsapó villám miatt hirtelen nagyobb töltéstöbblet keletkezik, annak az elektromos tere okozhat egy további légköri elektromos kisülést 60-80 km-es magasságban a felhők fölött. A felhők feletti elektromos kisülések egyik csoportja így keletkezik.

Vörös lidérc a Földről (Facebook) és a világűrből fényképezve

A vörös lidérc (red sprite) az egyik ilyen jellegű kisülést kísérő fényjelenség. Először egy általában egy lefelé gyorsan lefutó fényes, pontszerű kisülési front alakul ki, amely maga után ionizált csatornát hagy. Az alacsonyabban fekvő sűrűbb légrétegben ez a kisülési front több ágra bomlik és végeredményben egy indákhoz vagy gyökerekhez hasonlatos csatornahálózat alakul ki (tendrils), ami némely esetben fényes és fénylő foltokat, ún. gyöngyöket (beads) tartalmazhat, más esetekben alig látható. Vörös színébe lejjebb érve egyre több kék keveredik, különösen ha a 40 km-es magasságba, vagy az alá ér. A felhők tetejéig azonban nem szokott leérni. A legegyszerűbb vörös lidérc oszlop alakú. Ha a felhőben a töltéstöbblet még fenn tud tartani egy elég jelentős elektromos teret, a lidérc felső része felfényesedhet és további ágak alakulhatnak ki jellegzetesen medúza, villás, szárny-szerű, vagy répagyökér alap alakokat formázva. Bár az alap alakok jellegzetesen hasonlóak, nincs két teljesen egyforma vörös lidérc. A kellően erős elektromos tér viszonylag nagy térrészben jelen lehet, ezért gyakran több lidérc elem is kialakul. Az elemek formája és mérete egy csoporton belül is gyakran különböző. A csoportok elemei egy akár 50 km átmérőjű térrészt is elfoglalhatnak. A dinamikusan kialakuló jelenség mindenestől legfeljebb néhány századmásodpercig tart.

Ahogy némely óriási villámkisülés csatornái elágazva behálózzák felhőzet nagy részét, a terjedésük mentén sorban akár több lecsapó villám is bekövetkezhet. Ennek megfelelően vörös lidérc események egymás utáni gyors sorozata is kialakulhat a felhők felett. Az ilyen, egymást követő óriásvillámok által kiváltott összetett eseményt nevezik táncoló vörös lidércnek (dancing red sprites).

Táncoló vörös lidérceket bemutató videó (Facebook)

A lidércudvar (sprite halo) kialakulásának ugyanez az oka, csak ehhez a típusú kisüléshez a felsőbb légkörben hirtelen megjelenő és különösen erős elektromos térre van szükség. Ilyenkor az egész érintett térrészben egyszerre indul meg a kisülési áram és egy 40-100 km átmérőjű korong vagy tál alakú tartomány egyszerre fénylik fel 70-80 km-es magasságban. Ilyen erős elektromos tér nem marad fent sokáig, ezért a lidércudvarok optikai élettartama csak néhány ezredmásodperc. A lidércudvarok lehetnek a vörös lidércek bölcsői, amikor az átfogó kisülés után fennmarad még azért egy elég jelentős elektromos tér, amelyben helyenként a lidércek kisülési csatornái is ki tudnak alakulni.

Lidércudvar. Valter Binotto képe (Facebook)

A kisülések egy másik csoportja a felhő felső részében csoportosuló, túlnyomó részben pozitív töltések saját elektromos terében következik be. Például az azonos előjelű töltések egymást taszító ereje felfelé a szabadba irányuló áramot indít meg.

Amennyiben a szülő góc töltésutánpótlása gyenge, pont vagy foltszerű, koronakisüléshez hasonló, kékes-lilás színű fényfelvillanás következik be. Ezeket a viszonylag kisebb kiterjedésű, nagy távolságról készülő felvételeken csak néhány pixel felfénylését okozó jelenségeket nevezik pixel tündéreknek (pixies).

Pixeltündérek a Földről (Facebook) és a világűrből fényképezve

Ha a szülő töltésgóc utánpótlása a felhőben hatékonyabb, a töltések árama a kiindulási ponttól távolabb is (leginkább felfelé) ionizálni tudja a levegőt és kék/kékes fényű, felfelé 30-40 km-es magasságig fejlődő, tölcsér szerűen szélesedő nyaláb megjelenését eredményezheti. Ezek a kék nyalábok (blue jet), amelyek végső magassága és fényessége a szülő töltésgóc tulajdonságaitól és töltésutánpótlásától függ. Megkülönböztetik a kis kék nyalábokat (blue starter) amelyek legfeljebb 20-25 km-es magasságig érnek fel.

Kék nyalábok a Földről (Facebook) és a világűrből fényképezve

Videó a kék nyalábokról (Paul Smith,Youtube)

A legenergikusabb ilyen nyalábok hasonlóak a felfelé csapó felhő-levegő villámokhoz, azonban jellemzően egyenes a kisülési csatornájuk, továbbá a villámoknál lassabban is növekednek. A felhőhöz közel ez a folyamat a villámokhoz hasonlóan intenzív ionizáció okoz, valószínesíthetően forró plazma is keletkezik, így a színük világos/fehér. A legkisebb ilyen kisülések az ún. törpék (gnome). A hosszabb változatok a gyengülő elektromos tér miatt kék nyalábban folytatódhatnak.

Egy törpe

Extrém esetben viszont a kisülés olyan energikus, hogy a magasabb légrétegekbe érve vörös színt vesz fel és egészen a Földet körülvevő, szabad elektronokban gazdag ionizált réteg, az ún. Ionoszféra aljáig is elér. Ez éjszaka kb. 90-100 km magasan található. Az ilyen extrém kisüléseket óriás nyalábnak nevezzük (gigantic jet). Az óriás nyalábok felső része hasonlíthat a felfelé kiterjedtebb vörös lidércekhez. A két jelenséget megkülönbözteti a felhőkhöz közeli részük. Az óriás nyaláboknál ez egy kis helyről kiindulva felfelé terebélyesedik, míg a vörös lidércek alsó része a lefelé terjedve többször széthasadó kisülési frontok miatt a felhőkhöz közelebb, azokat általában el nem érve inkább szét terül. Ugyancsak különbözik a két jelenség időbeni fejlődése is. A vörös lidércek legfeljebb néhány századmásodpercnyi felvillanások, míg az óriás nyalábok több fejlődési szakaszból állnak. Az ionoszférát ostromló fő nyalábot (inital jet) jellemzően követi a jelenség középső részén egy több pontból álló, viszonylag lassan felfelé terjedő, fényes kisülési frontrendszer, az ún. követő nyaláb (trailing jet). Összességében az óriás nyalábok a jelenségkör leghosszabb ideig fejlődő elemei. A jelenség teljes időtartama így is csak az 1 másodpercet közelíti meg.

Az óriás nyalábok némelyike más módon keletkezik. Egy felhőn belüli felhővillám felfelé csapó negatív elővilláma átjuthat a felhő felső részében egy kevésbé koncentrált töltésű pozitív tartományon és fókuszálódva már a pozitív töltésű alsó ionoszféra által vezetve fejlődhet tovább és juthat el nagyobb magasságba. Ez ugyanaz a gyorsítási mechanizmus, amit az elektronikában a triódában (3 pólusú elektroncső) is alkalmaznak. A természetben így kialakuló jelenségek az ún. negatív polaritású óriás nyalábok.

Óriás nyaláb a Földről (Facebook) és a világűrből (Space.com) fényképezve

Videó óriás nyalábokról (Xiaoyang Zhang,Facebook)

Előfordul az is, hogy a felhőzet tetején egyszerre jelenik meg kék koronakisülés és akár több, rövidebb villámkezdemény, azaz kisülési ág. Ezek jelzik a töltések helyileg jelentős felhalmozódását, amelyből kellő töltés utánpótlás esetén óriás nyaláb is kialakulhatna, de valamiért ez nem következik be. Az ilyen jelenségeket óriásnyaláb-kezdemény (failed gigantic jet) néven ismerjük.

A kellően erős környező elektromos térben gyorsuló töltések, főként elektronok a levegőt alkotó molekulákba ütközve gerjesztik azokat fénykibocsátásra. A kék fényt jellemzően az ionizált N₂+ molekulaionok, a vörös fényt a gerjesztett semleges nitrogén molekulák bocsátják ki. Vörös lidércek vagy óriás nyalábok alsó ionoszférát megközelítő felső részeinél előfordulhat, hogy a légköri oxigén is gerjesztődik, ami zöldes fény kibocsátásával jár, hasonlóan a zöld sarki fényhez. Ez a felsőlégköri kisüléshez kapcsolódó gerjesztés a zöld szellem (green ghost), amely esetenként látható maradhat valamivel a vörös fény eltűnése után is 1-2 képkocka erejéig. E tulajdonsága révén ritkán a monokróm felvételeken is tetten érhető.

Zöld szellemek (George Paraskevaides, Nature by JJ, Facebook)

A gyűrűlidérc (ELVES (elve) – Emission of Light and Very low frequency perturbations due to Electromagnetic pulse Sources) megjelenését megint más folyamat okozza. A jelenséget különösen erős (azaz hirtelen és kiemelkedően nagy kisülési áramerősséget elérő) villámok váltják ki. Az ilyen villámok erős elektromágneses impulzust keltenek, amelynek erős elektromos tere a kisülési csatorna egy szakaszáról leválva egy táguló gömbhéj viszonylag vékony, de a tágulással vastagodó falában van csak jelen. A táguló gömbhéj falrészébe pillanatnyilag beleső szabad töltéseket az impulzus elektromos tere gyorsítja. Csupán kb. 90-100 km-es magasságban vannak olyan körülmények, hogy a környező szabad elektronok annyian vannak és annyira fel tudnak gyorsulni e tér által, hogy a környező nitrogén molekulákba ütközve azokat fénykibocsátásra képesek gerjeszteni. E viszonylag vékony magasságtartomány alatt nagy a légköri sűrűség és kevés a szabad elektron, amelyek így még azelőtt ütköznek a molekulákkal, hogy elég gerjesztési energiát át tudnának nekik adni. E magasság felett pedig már olyan ritka a légkör, hogy a kevés gerjesztett molekula nem tud észlelhető mennyiségű fotont produkálni. Ráadásul a keltővillámtól távolodva az impulzus energiája szétszóródik és az elektromos tere is gyengül.

Gyűrűlidérc a Földről (Facebook) és a világűrből fényképezve

A legerősebb impulzusokat keltő villámok többségükben lecsapók. A nagyjából függőleges kisülési csatorna oldaláról válik le az impulzus, így közvetlenül a szülővillám fölött nincs elektromos tér. Az impulzus közel fénysebességgel táguló felülete a forrástól távolabb éri csak el az alkalmas magasságtartományt, így az érdemi fénykibocsátás egy középen “lyukas”, vékony fánkhoz hasonló tartományban  következik be az alsó ionoszférában. Ez fánk szerű térrész a tipikus gyűrűlidérc alak. Ritkán az inkább vízszintesen húzódó felhővillámok is képesek fényképezhető gyűrűlidércet kiváltani. Ilyen esetben nincs lyuk a kiterjedt vörös felvillanásban. A gyűrűlidércek a legrövidebb optikai élettartamű FEF jelenség és a leggyengébb fényességű is. Szabad szemmel gyakorlatilag nem érzékelhető. Kevesebb, mint 1 ezredmásodpercig tart, miközben a vörös fénylés vízszintesen kiterjeszkedve villan fel, teljes átmérője akár a 200 km-is meghaladhatja. Egy felhővillám által kiváltott, nem gyűrűs gyűrűlidérc mérete ennél valamivel kisebb, de így is jóval nagyobb (és egyértelműen halványabb) egy lidércudvarnál.

A FEF jelenségkörnek vannak olyan további elemei, amelyek kialakulása csak más FEF jelenség, legtöbbször vörös lidérc vagy óriás nyaláb előzetes megjelenése után figyelhető meg. Ezek jellemző alakjukat és tulajdonságaikat annak köszönhetik, hogy a megelőző (elsődleges) kisülés által elektromosan módosított környezetben alakulnak ki. Ezek az ún. másodlagos FEF jelenségek (secondary TLEs).

A troll (Transient Red Optical Luminous Lineament, más néven crawler) foltszerű felfénylések sorozata. A kisülések a megelőző vörös lidérc mélybe nyúló kisülési csatornája mentén egyre magasabban következnek be, így a felfelé haladás benyomását keltik.

Videó trollokról (Frankie Lucena, Facebook)

A másodlagos nyalábok (secondary jets) változatos alakú és kialakulási mechanizmusú jelenségcsoport. Egy részük a vörös lidérchez hasonló és vörös lidérceket vagy nyalábjelenségeket követően fordul elő közelebb a felhőhöz, de még mindig fölötte, a lidércek alsó részének (“indáinak”) a magasságtartományában, a korábbi lidérc indáihoz azonban nem feltétlenül kapcsolódva. Ezek kétirányú, kevés lefutó lefutó szálból és egyetlen felfelé terjeszkedő, vaskosabb részből álló, felfelé haladva esetenként elágazó, nagy sebességű felvételeken alkalmanként pulzálást mutató kisülések. A felfelé nyújtózkodó részük fényesebb, ezáltal jobban megfigyelhető és így hasonlít a felfelé kiterjedő nyalábokhoz. Ilyen jelenségek a különféle alakot öltő pálmalidércek (palm trees).

Pálmalidércek és vörös lidércek (Serge Soula és Oscar van der Velde képe)

Más esetben valódi nyaláb jellegű kisülésről beszélhetünk. Ezek lehetnek másodlagos kék nyalábok, amelyek  általában kisebbek, mint egy elsődleges kék nyaláb, de lehetnek akár pl. másodlagos óriás nyalábok is (secondary gigantic jet). Ezek között akadnak kifejezetten meggörbült testű egyedek is. Ezekben a felfelé haladó pozitív töltésű nyaláb az előző felsőlégköri kisülés után hátramaradt, alacsonyabban húzódó, szintén pozitív többlettöltést hordozó tartomány taszító hatása miatt azt megkerülve tör az alsó ionoszféra felé.

Minden FEF jelenséget ismerünk?

Ebben nem lehetünk biztosak. A légkörben a környezeti feltételek változatossága teremthet olyan körülményeket, amelyben az eddig megfigyeltektől eltérő tulajdonságú jelenségek alakulhatnak ki. Maga a FEF jelenségkör a legjobb példa erre. Érdemes tehát általában is nyitottnak lenni és figyelemmel kísérni a környezetünkben zajló folyamatokat – köztük a zivatarok fejlődését is. Kitartó odafigyeléssel sokat tanulhatunk, de ez az alapja annak is, hogy új jelenségeket fedezzünk fel, illetve felfigyeljünk változásokra. A szokásostól való eltérések időben való észlelése bizonyos esetekben akár helyzeti előnyhöz is juttathatja az emberiséget, mint pl. az éghajlatváltozás vagy a Földet esetlegesen fenyegető aszteroidák esetében.

Nem minden FEF, ami annak látszik

Számos olyan természeti jelenség van, amely egy fényképen hasonlít némelyik FEF-re, de valójában nem tartozik ebbe a jelenségkörbe. Más okból is megjelenhet a felvételeken valami, ami FEF jelenségként is azonosítható lehetne, miközben nem az. Ezekre az esetekre mutatunk be példákat.

Különösen monokróm fényképeken szereplő fényoszlopok hasonlíthatnak oszlop alakú vörös lidércekhez. Árulkodó lehet ezek színe (a vörös lidércek ténylegesen vörös-lilásak), optikai időtartama (a fényoszlopok akár több percig is láthatóak), illetve a készítés időpontja (a vörös lidércek csak éjszaka figyelhetők meg).

Hasonló módon különböztethető meg az oszlop alakú vörös lidércektől az oszlopos szerkezetű sarki fény.

A világűrből érkező nagy energiájú részecskék (galaktikus kozmikus sugarak) a légköri molekulákkal ütközve végeredményben részecskezáporokat idéznek elő. Ez a természetes háttérsugárzás része, amelyhez az emberi szervezet is alkalmazkodott. A digitális kamerák érzékelőibe csapódó kozmikus eredetű részecskék különböző számú és elrendeződésű pixelcsoportokat gerjesztenek, amelyek alakja a felvételen esetenként hasonlíthat oszlop alakú vörös lidércre. A gerjesztett pixelek azonban a vörös lidércektől eltérően éles határral, nagyon fényesen jelennek meg. Videó felvételeken mindig csupán egy képkockán láthatóak.

A légkörbe függőlegesen beeső meteor nyomok is összetéveszthetők oszlop alakú vörös lidércekkel, főleg monokróm felvételeken. A meteornyomok eleje és vége azonban általában elvékonyodik, a színűk inkább zöld (oxigén gerjesztés a magasabb légrétegekben). A videó felvételek egyértelműen mutatják a meteor beesését, amely az esetek túlnyomó többségében több képkockán is látható.

Becsillanások is okozhatnak FEF-hez hasonló, de nem valós elváltozásokat a képen. Ez eredhet erős fények szóródásából az optika belső szerkezeti elemein, lencséin (lens flare), vagy külső fények (pl. elhaladó autók fényszórói) betükröződéseiből különböző felületekről (ablakok, kameraház védő üvege, pókháló, repülő állatok, stb.). Ezek gyakran elmosódott foltok, amelyek pl. lidércudvarra, vagy vékony felhőzet mögött felsejlő FEF-ekre hasonlíthatnak.