Jason Ahrns, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Alaska-Fairbanks, en andere wetenschappers van de US Air Force Academy en Fort Lewis College - allemaal onderdeel van een project gesponsord door de National Science Foundation - hebben een missie gehad. Deze zomer is de groep de lucht in gegaan in het Gulfstream V-onderzoeksvliegtuig van het National Center for Atmospheric Research, met een totaal van 30 uur over meerdere vluchten op zoek naar sprites.
Sprites, ook bekend als rode bliksem, zijn elektrische ontladingen die verschijnen als uitbarstingen van rood licht boven wolken tijdens onweer. Omdat het weerfenomeen zo vluchtig is (sprites flitsen slechts milliseconden) en voor het grootste deel niet zichtbaar vanaf de grond, zijn ze moeilijk waar te nemen en nog moeilijker te fotograferen, net als de ondeugende luchtgeesten van het fantasierijk waar ze naar zijn vernoemd. Ahrns en zijn collega's hebben echter uiterst zeldzame foto's van de rode bliksem gemaakt, met behulp van DSLR-camera's en hogesnelheidsvideocamera's die in het raam van het vliegtuig zijn geplaatst. De onderzoekers hopen meer te weten te komen over de fysische en chemische processen die aanleiding geven tot sprites en andere vormen van bovenatmosferische bliksem.
Hoe is het om foto's te maken van enkele van de meest kortstondige en grillige kenmerken van de natuur? Ik vroeg Ahrns via e-mail en hij legde uit wat sprites zijn, waarom ze voorkomen, hoe wetenschappers ze vinden en waarom hij zo geïnteresseerd is in de ongrijpbare fenomenen.
Allereerst, wat is een sprite?
Een sprite is een soort elektrische ontlading in de bovenste atmosfeer geassocieerd met onweer. Een groot elektrisch veld, gegenereerd door enkele blikseminslagen, ioniseert de lucht hoog boven de wolk, die vervolgens het licht uitstraalt dat we op de foto's zien. Ze smeken duidelijk om een vergelijking met de reguliere bliksemschichten die we de hele tijd zien, maar ik wil erop wijzen dat de sprites veel hoger zijn, met de toppen tot ongeveer 100 kilometer, en hoger. Een bliksemschicht kan zich ongeveer 10 kilometer van de wolk naar de grond uitstrekken, maar een sprite kan 50 kilometer lang worden.
Een 'kwal' sprite gevangen op Republic County, Kansas, op 3 augustus 2013. Afbeelding met dank aan Jason Ahrns via Flickr.
Onder welke omstandigheden komen ze voor?
Ze worden geassocieerd met positieve blikseminslagen, dat is wanneer de wolk een opbouw van positieve lading heeft en een bliksemflits vrijgeeft. Negatieve beroertes, afkomstig van een opeenhoping van negatieve lading, komen ongeveer 10 keer vaker voor, dus sprites zijn niet sterk geassocieerd met de meest voorkomende vorm van bliksem, maar het is ook niet zo ongewoon. Meer dan alleen een positieve slag, hoe meer lading tijdens de slag werd verplaatst, hoe groter de kans op een sprite. Dus we zoeken naar een grote positieve laadmoment-verandering, wat in feite de positieve slagen zijn gewogen door hoeveel lading werd verplaatst. De meeste grote onweersbuien lijken de omstandigheden te veroorzaken die tot sprites leiden, maar sommige meer dan andere. We kijken gewoon naar een storm met een geschiedenis van veel grote positieve laadmomenten en gaan ernaar kijken.
Wat is je wetenschappelijke achtergrond? En hoe raakte je geïnteresseerd in sprites?
Ik ben vooral aurora-onderzoeker, dat is waar ik mijn scriptie over doe bij UAF. Ik raakte betrokken bij sprites omdat een van mijn afgestudeerde commissieleden deze campagnes organiseert en wat extra hulp nodig had. Ik vond sprites fascinerend en mijn adviseur was er voorstander van dat ik een beetje vertrok, dus ik sprong aan boord van het team.
Sprites over Red Willow County, Nebraska, op 12 augustus 2013. Afbeelding met dank aan Jason Ahrns via Flickr.
Van wat ik begrijp is er niet veel bekend over rode bliksem, pas 25 jaar geleden ontdekt. Wat hopen u en de andere wetenschappers met het NSF-project? Wat zijn de grootste vragen die je hebt?
Met deze campagne richten we ons op drie vragen. Ten eerste, welke fundamentele fysische en chemische processen vinden plaats? Het is nog steeds niet duidelijk wat er precies gebeurt in een sprite, en waarom er verschillende soorten sprites zijn, en welke voorwaarden je bijvoorbeeld een kolomsprite versus een wortelsprite geven. (Alle sprite-namen verwijzen alleen maar naar hun vorm.) Hebben sprites vervolgens een grote impact op de middelste atmosfeer? Sprites vertegenwoordigen duidelijk een soort overdracht van energie, maar is het op een schaal die een significant effect heeft op het weer en het klimaat? We kunnen dat niet beantwoorden zonder ze te bestuderen. En wat kunnen we dan leren over basisfysische fysica van streamer? De ranken die van de bodem van de sprites komen, zijn 'streamers' - kleine bolletjes ionisatie - die bewegen. Streamer snelheid en levensduur zijn gerelateerd aan luchtdichtheid, dus het bestuderen van sprites in de bovenste atmosfeer met een zeer lage dichtheid is als kijken naar streamers met een vergrootglas in slow motion, hoewel ze nog steeds vrij snel zijn!
Hoeveel sprite-jachtmissies heb je gedaan?
Persoonlijk is dit mijn tweede luchtcampagne. De eerste, in 2011, vloog in totaal 40 vlieguren, en deze campagne duurde nog 30 uur. Het is waarschijnlijk ongeveer 15ish totale vluchten. Dezelfde bemanning, minus mij, deed nog een andere luchtcampagne in 2009.
Ahrns veroverde deze blauwe jets, die eruit zien als vlammen van een butaanaansteker, boven Republic County, Kansas, op 3 augustus 2013. In tegenstelling tot sprites worden blauwe jets niet direct veroorzaakt door bliksem, maar lijken ze op de een of andere manier verband te houden met de aanwezigheid van hagel stormen. Afbeelding afkomstig van Jason Ahrns via Flickr.
Welke omstandigheden, tijden van de dag, gebieden van het land en hoogtes zijn ideaal voor deze vluchten?
De Midwest is productief, vooral omdat het deze krachtige onweersbuien krijgt die de hele nacht duren. Het is duidelijk dat we het nodig hebben om donker te zijn, maar anders dan de tijd van de nacht lijkt er niet veel toe te doen, alleen hoe sterk de storm is en hoeveel krachtige positieve bliksem het produceert. We merken wel dat wanneer de storm goed gaat, het kolomsprieten en wortelsprieten voortbrengt, maar naarmate het sterft lijkt het over te schakelen naar minder frequente, maar grotere en helderdere kwallengeesten. We vliegen zo hoog als we kunnen krijgen, meestal tussen 41.000 en 45.000 voet, maar dat is gewoon om een zicht op de wolken te krijgen. We zijn nog steeds onder de sprites.
De bliksem duurt slechts milliseconden, dus ik ben vooral benieuwd hoe je hem fotografeert. Welke apparatuur gebruik je?
Voor de foto's heb ik gewoon mijn camera (een Nikon D7000 en een snelle lens) naar buiten gericht en een intervalmeter ingesteld, zodat de camera constant foto's maakt. Dan ga ik later door en verwijder alles waar geen sprite in zit. Het is hetzelfde principe als bliksemfotografie; het lijkt erop dat je de timing precies goed moet krijgen, maar het is eigenlijk alleen statistisch, als je een aantal foto's maakt, krijgt een van hen vroeg of laat iets. Ik snap waarschijnlijk de volgorde van 1000 afbeeldingen voor elke sprite waarmee ik wegkom.
Voor de hogesnelheidsvideocamera's heeft de camera een buffer die constant door de vorige, maar veel videoframes loopt, en wanneer ik een sprite zie, druk ik op een trigger die de camera vertelt te stoppen en opslaan wat hij zojuist heeft opgenomen. Als we 10.000 frames per seconde gebruiken, wordt de buffer binnen een seconde vol, dus dat is hoe lang ik een sprite moet herkennen en op de knop moet drukken. Dit kan behoorlijk belastend zijn op een langzame nacht wanneer je 45 minuten achter elkaar niets hoeft te zien gebeuren en toch klaar bent met die reactietijd van minder dan een seconde.
Kun je de opstelling beschrijven? Hoe maak je eigenlijk foto's vanuit het vliegtuigvenster?
Een foto zegt meer dan duizend woorden, toch?
Ahrns opstelling bij het vliegtuigraam. Afbeelding afkomstig van Jason Ahrns via Flickr.
En voor de high speed video ...
Zijn opstelling voor het vastleggen van high speed video. Afbeelding afkomstig van Jason Ahrns via Flickr.
We hebben een internetverbinding aan boord van het vliegtuig, zodat we de weersomstandigheden in realtime kunnen bekijken. We richten de bovenstaande camera's gewoon op het meest productief ogende deel van de storm en wachten op sprites.
Hoe zeldzaam zijn dergelijke foto's die u hebt gemaakt?
Voor zover ik weet, zijn ze vrij zeldzaam. Er zijn enkele sprite-afbeeldingen gemaakt met meteoorcamera's en webcams, maar ze hebben meestal een lage resolutie omdat ze heel ver weg zijn en een groothoeklens gebruiken. Ik heb twee of drie sprite-afbeeldingen gezien die met een DSLR zijn genomen, maar ze zijn nog steeds van de grond en op een goede afstand, en meestal foto's van iets anders dat geluk had met een sprite op de achtergrond. Ik heb het voordeel dat ik in de lucht zit, dicht bij het sprite-producerende gebied, met een goede gok waar de sprites zullen verschijnen, dus ik kan een lens met een smaller gezichtsveld gebruiken om de sprite van dichtbij vast te leggen.
Wat betreft de afbeeldingen die ik van blauwe jets heb gemaakt, voor zover ik kan zien zijn het eigenlijk de eerste afbeeldingen van jets die zijn gemaakt met een DSLR. Dat is logisch, omdat de jets veel dichter bij de top van de wolken zijn dan sprites die veel moeilijker te zien zijn vanaf de grond. In de lucht zijn is een groot voordeel.
Op 12 augustus 2013 overgenomen door Red Willow County, Nebraska. Afbeelding met dank aan Jason Ahrns via Flickr.
Wat vind je kunstig aan de afbeeldingen, als er iets is?
Ik denk dat er een heel andere strengheid over hen is. Neem deze bijvoorbeeld (hierboven). Je hebt dit mooie serene sterrenveld en wat koel, kalmerend blauw licht dat uit de bliksem beneden komt. Dan BLAM! Deze rare, dreigende, totaal buitenaards uitziende sprite neemt gewoon de hele scène over, zoals: "Ik ben hier, wat ga je eraan doen?"
Hans Nielsen, de hoofdonderzoeker van de campagne (en mijn eerder genoemde commissielid), zegt dat deze (hieronder) hem herinnert aan de klassieke Nederlandse schilderijen, met zijn sepiatinten en lichte vervaging van de atmosferische waas.
Overgenomen door Canadian County, Oklahoma, op 6 augustus 2013. Afbeelding met dank aan Jason Ahrns via Flickr.
Wat heb je tot nu toe over sprites geleerd door deel te nemen aan dit project?
Persoonlijk? Toen ik lid werd van de 2011 campagne wist ik niets over sprites buiten het Wikipedia-artikel. Ik leer elke avond meer van de campagnes, luisterend naar de anderen die vooraf praten over de omstandigheden, wat we zien tijdens de vluchten en onze discussies over 'wat we goed hebben gedaan, wat we verkeerd hebben gedaan' over bier na de vlucht. Ik ben nog steeds een newbie in vergelijking met de andere jongens, maar ik ben nu op het punt waar ik de meeste algemene publieke vragen over sprites en sprite-jacht kan stellen.
Waar en wanneer vlieg je vervolgens?
Niets staat vast, maar we willen heel graag weer vliegen volgende zomer. Hopelijk kunnen we dat mogelijk maken.
