Een gedetailleerde 3D-studie van een enorme elektrische ontlading die 50 mijl de ruimte in steeg boven een onweersbui in Oklahoma, heeft nieuwe informatie opgeleverd over een ongrijpbaar atmosferisch fenomeen dat bekend staat als gigantische jets. De ontlading in Oklahoma was de krachtigste gigantische jet die tot nu toe is bestudeerd, met 100 keer zoveel elektrische lading als een typische bliksemschicht van een onweersbui.

De gigantische jet verplaatste naar schatting 300 coulombs elektrische lading de ionosfeer - de onderste rand van de ruimte - van de onweersbui. Typische bliksemschichten dragen minder dan vijf coulombs tussen de wolk en de grond of binnen wolken. De opwaartse ontlading omvatte relatief koele (ongeveer 400 graden Fahrenheit) streamers van plasma, evenals structuren die leiders worden genoemd en die erg heet zijn - meer dan 8000 graden Fahrenheit.

"We waren in staat om deze gigantische jet in drie dimensies in kaart te brengen met gegevens van echt hoge kwaliteit", zegt Levi Boggs, een onderzoekswetenschapper aan het Georgia Tech Research Institute (GTRI) en de corresponderende auteur van het artikel. "We waren in staat om bronnen met een zeer hoge frequentie (VHF) boven de wolkentop te zien, die nog niet eerder waren gezien met dit detailniveau. Met behulp van satelliet- en radargegevens konden we achterhalen waar het zeer hete leidergedeelte van de ontlading bevond zich boven de cloud."

Boggs werkte met een onderzoeksteam van meerdere organisaties, waaronder de Universities Space Research Association (USRA), Texas Tech University, de University of New Hampshire, Politecnica de Catalunya, Duke University, de University of Oklahoma, NOAA's National Severe Storms Laboratory en de Los Alamos Nationaal Laboratorium. Het onderzoek wordt op 3 augustus gerapporteerd in Science Advances .

Steve Cummer, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke, gebruikt de elektromagnetische golven die bliksem uitzendt om het krachtige fenomeen te bestuderen. Hij exploiteert een onderzoekslocatie waar sensoren die lijken op conventionele antennes zijn opgesteld in een verder leeg veld, wachtend om signalen van lokaal optredende stormen op te pikken.

"De VHF- en optische signalen bevestigden definitief wat onderzoekers hadden vermoed maar nog niet bewezen:dat de VHF-radio van bliksem wordt uitgezonden door kleine structuren die streamers worden genoemd en die zich op het uiterste puntje van de zich ontwikkelende bliksem bevinden, terwijl de sterkste elektrische stroom aanzienlijk erachter vloeit tip in een elektrisch geleidend kanaal dat een leider wordt genoemd," zei Cummer.

Doug Mach, een co-auteur van het artikel bij Universities Space Research Association (USRA), zei dat de studie uniek was in het bepalen dat de 3D-locaties voor de optische emissies van de bliksem ver boven de wolkentoppen lagen.

"Het feit dat de gigantische jet werd gedetecteerd door verschillende systemen, waaronder de Lightning Mapping Array en twee geostationaire optische blikseminstrumenten, was een unieke gebeurtenis en geeft ons veel meer informatie over gigantische jets," zei Mach. "Belangrijker is dat dit waarschijnlijk de eerste keer is dat een gigantische jet driedimensionaal boven de wolken in kaart is gebracht met de Geostationary Lightning Mapper (GLM) instrumentenset."

Gigantische jets zijn de afgelopen twee decennia waargenomen en bestudeerd, maar omdat er geen specifiek observatiesysteem is om ze te zoeken, zijn detecties zeldzaam geweest. Boggs hoorde over het evenement in Oklahoma van een collega, die hem vertelde over een gigantisch vliegtuig dat op 14 mei 2018 was gefotografeerd door een burgerwetenschapper die een camera bij weinig licht in werking had.

Toevallig vond het evenement plaats op een locatie met een nabijgelegen VHF-bliksemkaartsysteem, binnen het bereik van twee Next Generation Weather Radar (NEXRAD) -locaties en toegankelijk voor instrumenten op satellieten van NOAA's Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) -netwerk. Boggs stelde vast dat de gegevens van die systemen beschikbaar waren en werkte samen met collega's om deze samen te brengen voor analyse.

"Uit de gedetailleerde gegevens bleek dat die koude streamers hun voortplanting precies boven de wolkentop beginnen", legt Boggs uit. "Ze planten zich helemaal voort naar de lagere ionosfeer tot een hoogte van 50-60 mijl, en maken een directe elektrische verbinding tussen de wolkentop en de lagere ionosfeer, de onderste rand van de ruimte."

Die verbinding brengt in ongeveer een seconde duizenden ampère stroom over. De opwaartse ontlading bracht negatieve lading van de wolk naar de ionosfeer, typisch voor gigantische jets.

De gegevens toonden aan dat terwijl de ontlading vanaf de wolkentop opsteeg, VHF-radiobronnen werden gedetecteerd op een hoogte van 22 tot 45 kilometer (13 tot 28 mijl), terwijl optische emissies van de bliksemleiders in de buurt van de wolkentop bleven op een hoogte van 15 tot 20 kilometer (9 tot 12 mijl). De gelijktijdige 3D-radio- en optische gegevens geven aan dat VHF-bliksemnetwerken emissies van streamer-corona detecteren in plaats van het leiderkanaal, wat brede implicaties heeft voor de bliksemfysica die verder gaat dan die van gigantische jets.

Waarom schieten de gigantische jets lading de ruimte in? Onderzoekers speculeren dat iets de stroom van lading naar beneden of naar andere wolken blokkeert. Records van de gebeurtenis in Oklahoma tonen weinig bliksemactiviteit van de storm voordat deze de record-gigantische jet afvuurde.

"Om welke reden dan ook, is er meestal een onderdrukking van wolk-naar-grond ontladingen," zei Boggs. "Er is een opbouw van negatieve lading en dan denken we dat de omstandigheden in de stormtop de bovenste ladingslaag verzwakken, wat meestal positief is. Bij afwezigheid van de bliksemontladingen die we normaal zien, kan de gigantische jet de opbouw van overtollige negatieve lading in de cloud."

Voorlopig zijn er veel onbeantwoorde vragen over gigantische jets, die deel uitmaken van een klasse van mysterieuze voorbijgaande lichtgevende gebeurtenissen. Dat komt omdat waarnemingen ervan zeldzaam zijn en bij toeval gebeuren:van piloten of vliegtuigpassagiers die ze zien of van grondwaarnemers die nachtcamera's bedienen.

Schattingen voor de frequentie van gigantische jets lopen uiteen van 1.000 per jaar tot 50.000 per jaar. Ze zijn vaker gemeld in tropische gebieden van de wereld. De gigantische straaljager van Oklahoma - die twee keer zo krachtig was als de volgende sterkste - maakte echter geen deel uit van een tropisch stormsysteem.

Afgezien van hun nieuwigheid, kunnen gigantische jets een impact hebben op de werking van satellieten in een lage baan om de aarde, zei Boggs. Naarmate er meer van die ruimtevoertuigen worden gelanceerd, kunnen signaalverslechtering en prestatieproblemen groter worden. De gigantische jets kunnen ook invloed hebben op technologieën zoals over-the-horizon radars die radiogolven van de ionosfeer kaatsen.

Boggs is aangesloten bij het Severe Storms Research Center, dat is opgericht bij GTRI om verbeterde technologieën te ontwikkelen voor het waarschuwen voor zware stormen, zoals tornado's, die veel voorkomen in Georgië. Het werk aan gigantische jets en andere atmosferische verschijnselen maakt daar deel van uit. + Verder verkennen

Hoe slaat positieve bliksem van wolk naar aarde zo ver van zijn oorsprong in?