Czym są zjawiska TLE?

Wstęp

Burze należą do najbardziej dynamicznych procesów zachodzących w ziemskiej atmosferze. Najłatwiej dostrzegalne są zjawiska rozwijające się w obrębie chmur Cumulonimbus i pod nimi: błyskawice, intensywne opady deszczu, grad, gwałtowne porywy wiatru oraz potężne struktury chmurowe sięgające górnych partii troposfery. Aktywność elektryczna silnej burzy nie musi jednak ograniczać się wyłącznie do przestrzeni zajmowanej przez chmurę. Jej oddziaływanie może docierać dziesiątki kilometrów wyżej, do obszarów atmosfery, w których warunki fizyczne znacząco różnią się od panujących przy powierzchni Ziemi. Właśnie w tej rozległej przestrzeni ponad aktywnymi układami burzowymi występuje niezwykła grupa zjawisk określanych skrótem TLE, pochodzącym od angielskiej nazwy Transient Luminous Events. Są to bardzo krótkotrwałe zjawiska świetlne związane z elektrycznością atmosferyczną. Mogą pojawiać się ponad wierzchołkami Cumulonimbus, w stratosferze, mezosferze oraz w pobliżu dolnej jonosfery, osiągając wysokości znacznie przekraczające poziom występowania zwykłych chmur i większości procesów pogodowych. TLE nie stanowią jednego rodzaju wyładowania. Nazwa obejmuje całą rodzinę zjawisk różniących się wyglądem, barwą, rozmiarami, wysokością występowania oraz mechanizmem powstawania. Do najbardziej znanych należą czerwone sprity, niebieskie strumienie Blue Jets, znacznie większe Gigantic Jets oraz rozległe pierścienie świetlne ELVES. Oprócz nich poznano również inne, mniej powszechne formy, które pokazują, jak skomplikowane mogą być procesy elektryczne zachodzące pomiędzy burzową troposferą a wyższymi częściami atmosfery. Ich niezwykłość wynika między innymi z ogromnej różnicy pomiędzy skalą przestrzenną a czasem trwania. Niektóre struktury mogą rozciągać się na dziesiątki kilometrów w pionie, podczas gdy inne obejmują obszary o średnicy liczonej w setkach kilometrów. Jednocześnie cały rozbłysk może istnieć zaledwie przez kilka lub kilkadziesiąt milisekund. Nawet bardziej rozbudowane formy pozostają zjawiskami niezwykle ulotnymi, dlatego podczas obserwacji gołym okiem często widoczny jest jedynie momentalny błysk, bez możliwości dostrzeżenia jego rzeczywistej budowy. Przez wiele lat właśnie ta krótkotrwałość stanowiła jedną z największych przeszkód w poznaniu TLE. Pojedyncze relacje o czerwonych lub niebieskich światłach pojawiających się ponad burzami nie wystarczały do dokładnego określenia ich natury. Zjawiska występowały zbyt wysoko, zbyt daleko od obserwatora i znikały zbyt szybko, aby można było łatwo je udokumentować. Dopiero zastosowanie czułych kamer oraz technik umożliwiających rejestrowanie bardzo szybkich zmian pozwoliło szczegółowo prześledzić ich rozwój. Poznanie TLE znacząco rozszerzyło również wiedzę o pionowym zasięgu oddziaływania burz. Cumulonimbus nie jest bowiem całkowicie odizolowanym układem elektrycznym, którego wpływ kończy się na wysokości wierzchołka chmury. Silne wyładowania mogą powodować gwałtowne zmiany pola elektrycznego oraz generować impulsy elektromagnetyczne rozchodzące się ku wyższym obszarom atmosfery. Jeżeli energia takiego zaburzenia oddziałuje na odpowiednio rozrzedzone środowisko, może doprowadzić do wzbudzenia lub jonizacji znajdujących się tam cząsteczek. Warunki panujące kilkadziesiąt kilometrów nad powierzchnią naszej planety są zupełnie inne niż w dolnej troposferze. Wraz ze wzrostem wysokości maleją ciśnienie i gęstość powietrza, zwiększają się średnie odległości pomiędzy cząsteczkami, a właściwości elektryczne środowiska ulegają znacznym zmianom. Dzięki temu energia związana z aktywnością burzową może wywoływać procesy, które przy powierzchni Ziemi przebiegałyby w odmienny sposób. Powstające w takich warunkach struktury świetlne mogą osiągać imponujące rozmiary, mimo że istnieją jedynie przez bardzo krótki czas. Światło obserwowane podczas TLE jest bezpośrednio związane z reakcją gazów atmosferycznych na dostarczoną energię. Szczególne znaczenie mają cząsteczki azotu, które pod wpływem zderzeń z energetycznymi elektronami mogą przechodzić do stanów wzbudzonych. Powrót do niższego poziomu energetycznego prowadzi do emisji promieniowania. Charakter tej emisji zależy od warunków panujących na danej wysokości oraz rodzaju zachodzącego procesu, dlatego poszczególne formy mogą mieć czerwone, pomarańczowe, niebieskie, fioletowe lub bardziej złożone zabarwienie. Nie wszystkie TLE powstają jednak według identycznego mechanizmu. W przypadku spritów ogromne znaczenie ma gwałtowna zmiana pola elektrycznego nad burzą następująca po odpowiednio silnym wyładowaniu. ELVES wiążą się przede wszystkim z oddziaływaniem impulsu elektromagnetycznego pioruna na dolną część jonosfery. Blue Jets oraz Gigantic Jets rozwijają się w bardziej bezpośrednim związku z górnymi obszarami aktywnej elektrycznie chmury burzowej. Wspólne określenie TLE nie powinno więc sugerować jednego uniwersalnego procesu fizycznego odpowiadającego za wszystkie obserwowane formy. Znaczenie tych zjawisk wykracza daleko poza ich widowiskowy wygląd. Pozwalają badać relacje pomiędzy różnymi obszarami ziemskiej atmosfery, szczególnie między troposferą, gdzie rozwijają się burze, a mezosferą i jonosferą. Pokazują, że procesy zachodzące stosunkowo blisko powierzchni naszej planety mogą oddziaływać na środowisko znajdujące się kilkadziesiąt kilometrów wyżej. Stanowią tym samym ważny element badań nad elektrycznością atmosferyczną, transportem energii oraz reakcją górnych warstw atmosfery na gwałtowne zjawiska zachodzące poniżej. Obserwowanie TLE wymaga przy tym zupełnie innych warunków niż śledzenie zwykłych błyskawic. Sam fakt znajdowania się blisko burzy nie musi być korzystny. Rozbudowana chmura może całkowicie zasłaniać przestrzeń ponad własnym wierzchołkiem, a intensywne wyładowania dodatkowo utrudniają dostrzeżenie słabszych struktur. Znacznie lepsze możliwości pojawiają się wtedy, gdy aktywny układ znajduje się daleko od obserwatora, horyzont pozostaje odsłonięty, a niebo pomiędzy miejscem obserwacji i burzą jest dostatecznie przejrzyste. Szczególnie wartościowe okazały się obserwacje prowadzone z dużych wysokości. Samoloty, wysokogórskie stanowiska badawcze oraz instrumenty umieszczane na orbitujących platformach pozwalają ominąć część ograniczeń występujących przy powierzchni Ziemi. Dzięki takim metodom można rejestrować zjawiska ponad rozległymi systemami burzowymi, śledzić ich geometrię oraz zestawiać moment wystąpienia rozbłysku z konkretnymi wyładowaniami zachodzącymi znacznie niżej. TLE pokazują również, jak wiele elementów burzy pozostaje poza zasięgiem zwykłej obserwacji. Człowiek stojący na powierzchni widzi przede wszystkim dolną część całego układu: chmurę, opady i błyskawice. Tymczasem ponad Cumulonimbus mogą zachodzić procesy obejmujące ogromną przestrzeń pomiędzy troposferą a jonosferą. Niektóre z nich są większe od samej chmury, która pośrednio doprowadziła do ich powstania. Zrozumienie tej grupy zjawisk wymaga więc spojrzenia na burzę nie tylko jako na źródło opadów i piorunów, ale jako na część rozbudowanego systemu elektrycznego atmosfery. Energia uwalniana podczas wyładowań może wpływać na środowisko położone bardzo wysoko, a odpowiedź rozrzedzonego powietrza przybiera czasem postać spektakularnych, choć niezwykle krótkich rozbłysków.

Czym są zjawiska TLE?

Zjawiska TLE należą do najbardziej niezwykłych przejawów elektryczności atmosferycznej związanej z aktywnością burzową. Pojawiają się ponad chmurami Cumulonimbus i obejmują szereg krótkotrwałych emisji świetlnych oraz wyładowań rozwijających się na wysokościach znacznie przekraczających poziom, na którym obserwujemy klasyczne błyskawice. Ich obecność pokazuje, że oddziaływanie silnej burzy może wykraczać daleko poza troposferę i obejmować środowisko znajdujące się dziesiątki kilometrów ponad jej wierzchołkiem. Nie jest to pojedynczy rodzaj zjawiska o zawsze takim samym wyglądzie i przebiegu. Pod wspólną nazwą znajduje się cała rodzina form powiązanych z elektrycznością burzową, lecz różniących się mechanizmem powstawania, wysokością występowania, rozmiarem, kształtem, barwą oraz czasem trwania. Część przyjmuje postać rozgałęzionych czerwonych struktur, inne rozwijają się ku górze jako niebieskie strumienie, a jeszcze inne tworzą olbrzymie pierścienie światła rozszerzające się wysoko w atmosferze. Ich charakterystyczną właściwością jest bardzo szybki przebieg. Nawet ogromna struktura może rozwinąć się w czasie liczonym w milisekundach, osiągnąć rozmiary wielu kilometrów i niemal natychmiast zaniknąć. Z tego względu bezpośrednia obserwacja jest trudna, a pełna geometria zjawiska często ujawnia się dopiero na nagraniach wykonanych odpowiednio czułym sprzętem. TLE są ściśle związane z warunkami panującymi wysoko ponad powierzchnią Ziemi. Malejąca wraz z wysokością gęstość powietrza wpływa na zachowanie elektronów oraz przebieg wyładowań elektrycznych. Energia pochodząca z burzy może w takim środowisku doprowadzić do wzbudzenia i jonizacji cząsteczek gazów atmosferycznych, czego jednym z rezultatów jest emisja promieniowania widzialnego. Ważne jest jednak rozróżnienie poszczególnych mechanizmów. Nie wszystkie TLE są bezpośrednim skutkiem tego samego procesu i nie każde można opisać jako wyładowanie rozwijające się od wierzchołka chmury ku górze. Sprity, ELVES czy niebieskie strumienie mają odmienne uwarunkowania fizyczne. Wspólna pozostaje ich zależność od aktywności elektrycznej burz oraz występowanie ponad obszarem, w którym rozwijają się zwykłe wyładowania atmosferyczne. Zjawiska te są więc szczególnym przejawem wzajemnego oddziaływania dolnych i górnych obszarów atmosfery. Pozwalają dostrzec, że procesy elektryczne zachodzące w Cumulonimbus mogą wywoływać reakcję środowiska położonego znacznie wyżej, czasami w pobliżu granicy pomiędzy neutralną atmosferą a silniej zjonizowanymi warstwami otaczającymi Ziemię.

Co oznacza skrót TLE?

Skrót TLE pochodzi od angielskiego określenia Transient Luminous Events. W języku polskim termin można tłumaczyć jako krótkotrwałe lub przejściowe zjawiska świetlne. Nazwa bardzo dobrze oddaje ich podstawowy charakter, ponieważ opisuje zdarzenia pojawiające się nagle, emitujące światło i zanikające po niezwykle krótkim czasie. Pierwszy człon, Transient, odnosi się do przejściowego charakteru zjawiska. TLE nie tworzą struktur utrzymujących się przez wiele sekund czy minut. Ich rozwój przebiega niezwykle szybko, a znaczna część obserwowanych form istnieje przez czas liczony w milisekundach. Nawet gdy cały epizod składa się z kilku następujących po sobie faz, dla człowieka może wyglądać jak pojedyncze, momentalne mignięcie. Drugi element nazwy, Luminous, oznacza świetlny. Obserwowana poświata jest efektem procesów zachodzących w gazach atmosferycznych pod wpływem energii elektrycznej. Wzbudzone cząsteczki mogą emitować promieniowanie podczas powrotu do niższych stanów energetycznych. W zależności od rodzaju TLE, wysokości oraz właściwości środowiska światło może mieć różną intensywność i barwę. Ostatni człon, Events, wskazuje na mnogość zdarzeń należących do tej kategorii. Ma to duże znaczenie, ponieważ TLE nie jest nazwą jednego konkretnego wyładowania. Termin obejmuje grupę różnych zjawisk obserwowanych ponad burzami. Poszczególne formy mogą powstawać wskutek odmiennych procesów i rozwijać się w innych częściach atmosfery. Używanie wspólnego określenia pozwala zatem opisywać całą rodzinę krótkotrwałych emisji związanych z aktywnością elektryczną burz, zachowując jednocześnie możliwość dalszego podziału na poszczególne typy. Dzięki temu Sprite, Blue Jets, Gigantic Jets, ELVES oraz pozostałe formy można analizować oddzielnie bez utraty ich wspólnego związku z szerszym systemem elektrycznym atmosfery.

Krótkotrwałe zjawiska świetlne nad burzami

Jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości TLE jest połączenie ogromnej skali przestrzennej z wyjątkowo krótkim czasem istnienia. Struktura osiągająca rozmiary dziesiątek kilometrów może pojawić się, rozwinąć i zaniknąć szybciej, niż człowiek zdąży dokładnie prześledzić ją wzrokiem. Z tego powodu obserwator znajdujący się daleko od burzy często widzi jedynie delikatne mignięcie ponad horyzontem. Szybkość rozwoju wynika z elektrycznej natury tych procesów. Nie mamy tutaj do czynienia z przemieszczaniem całej masy powietrza na ogromną odległość w ciągu ułamka sekundy. Widoczna struktura jest efektem bardzo szybkiego rozwoju wyładowania, zmian pola elektrycznego albo oddziaływania impulsu elektromagnetycznego na rozrzedzone gazy atmosferyczne. Krótki czas życia nie oznacza również niewielkiej skali. Niektóre sprity mogą obejmować rozległą przestrzeń w mezosferze, tworząc zespoły kolumn, włókien oraz rozgałęzionych struktur. Gigantic Jets rozwijają się pionowo od górnych obszarów chmury burzowej ku znacznie wyższym partiom atmosfery. ELVES rozprzestrzeniają się natomiast przede wszystkim poziomo, tworząc bardzo rozległe pierścienie emisji świetlnej. Występowanie ponad burzami stanowi kolejną istotną cechę. Typowa błyskawica jest związana bezpośrednio z obszarem chmury lub przestrzenią pomiędzy nią a powierzchnią Ziemi. W przypadku wielu TLE widoczna struktura pojawia się wysoko ponad Cumulonimbus, czasem pozostawiając pomiędzy podstawowym układem burzowym a miejscem emisji znaczną przestrzeń. Nie należy również zakładać, że każdy silny piorun prowadzi do powstania widocznego TLE. Konieczne jest spełnienie określonych warunków dotyczących charakteru wyładowania, przemieszczonego ładunku, zmian pola elektrycznego oraz właściwości środowiska znajdującego się powyżej. Dlatego nawet bardzo aktywna burza może generować wiele klasycznych błyskawic, a tylko niektóre zdarzenia zostaną powiązane z rozbłyskami występującymi wysoko ponad chmurami. Różnice w wyglądzie są równie duże jak w rozmiarach. Sprity mogą przypominać meduzy, kolumny lub rozgałęzione korzenie. Blue Jets mają charakterystyczny kierunek rozwoju ku górze i niebieskawe zabarwienie. Gigantic Jets tworzą znacznie większe pionowe struktury, natomiast ELVES przybierają formę szybko rozszerzającej się świetlistej obręczy. Tak odmienne kształty wynikają z różnych mechanizmów fizycznych, dlatego sama obecność światła ponad burzą nie wystarcza jeszcze do określenia konkretnego rodzaju TLE.

W jakich warstwach atmosfery występują?

Zjawiska TLE wyróżniają się niezwykle dużym zakresem wysokości występowania. Cała ich rodzina może obejmować obszar rozciągający się od górnej troposfery i stratosfery, poprzez mezosferę, aż w pobliże dolnej jonosfery. Nie istnieje więc jeden poziom atmosfery, na którym pojawiają się wszystkie formy. Najniżej rozpoczynają się procesy związane bezpośrednio z górnymi częściami Cumulonimbus. Wierzchołki silnych burz mogą dochodzić w okolice tropopauzy, której wysokość zmienia się w zależności od szerokości geograficznej i warunków atmosferycznych. Blue Jets rozwijają się ponad tym obszarem, kierując się ku stratosferze i osiągając wysokości rzędu kilkudziesięciu kilometrów. Znacznie większy zakres pionowy mogą osiągać Gigantic Jets. Ich rozwój rozpoczyna się w górnej części aktywnej elektrycznie chmury, po czym struktura rozciąga się ku wyższym poziomom atmosfery. Dzięki temu mogą tworzyć rozbudowane połączenie pomiędzy burzową troposferą a środowiskiem położonym dziesiątki kilometrów wyżej. Sprity są charakterystyczne przede wszystkim dla mezosfery. Zwykle pojawiają się na wysokościach kilkudziesięciu kilometrów ponad powierzchnią Ziemi, a rozbudowane struktury mogą zajmować znaczny zakres pionowy. Górne części bywają rozproszone i bardziej świetliste, natomiast poniżej mogą rozwijać się liczne cienkie włókna oraz rozgałęzienia. Jeszcze wyżej obserwowane są ELVES, związane z dolną jonosferą. W przeciwieństwie do pionowych struktur nie przypominają kanału wyładowania biegnącego od chmury. Powstają jako rozległa emisja świetlna wywołana oddziaływaniem silnego impulsu elektromagnetycznego pochodzącego od pioruna. Charakterystyczny pierścień może gwałtownie zwiększać średnicę i obejmować olbrzymią powierzchnię. Tak szeroki zakres występowania wynika ze zmieniających się wraz z wysokością właściwości atmosfery. Im wyżej się znajdujemy, tym mniejsze stają się ciśnienie i gęstość powietrza. Jednocześnie zmieniają się warunki propagacji wyładowań, częstotliwość zderzeń cząstek oraz zdolność elektronów do uzyskiwania energii w polu elektrycznym. W wyższych partiach coraz większego znaczenia nabiera również jonizacja atmosfery. Promieniowanie słoneczne prowadzi do powstawania jonów oraz swobodnych elektronów, szczególnie w obszarze jonosfery. Środowisko staje się dzięki temu bardziej podatne na oddziaływanie fal elektromagnetycznych docierających z niższych warstw. Granice pomiędzy troposferą, stratosferą, mezosferą i termosferą nie są więc jedynie nazwami określającymi kolejne poziomy atmosfery. Każdy z tych obszarów posiada inne właściwości fizyczne, które wpływają na możliwość powstania konkretnego rodzaju TLE, sposób jego rozwoju oraz wygląd obserwowanej emisji. Dlatego wysokość stanowi jeden z podstawowych elementów pozwalających zrozumieć różnorodność całej rodziny. Blue Jet rozwijający się ponad wierzchołkiem Cumulonimbus, rozbudowany Sprite pojawiający się w mezosferze i olbrzymi pierścień ELVES w pobliżu dolnej jonosfery są związane z tą samą aktywnością burzową, lecz zachodzą w środowiskach o zupełnie innych właściwościach. W kolejnych rozdziałach różnice te pozwolą dokładniej wyjaśnić, w jaki sposób energia silnych wyładowań może oddziaływać na atmosferę tak wysoko ponad miejscem powstania burzy.

Jaki jest związek zjawisk TLE z burzami?

Zjawiska TLE są ściśle związane z aktywnością elektryczną burz, jednak zależność ta jest znacznie bardziej złożona niż proste następstwo pojedynczego pioruna. Ich powstawanie wymaga odpowiedniej konfiguracji ładunków, wystarczająco silnego wyładowania oraz warunków umożliwiających przeniesienie jego oddziaływania wysoko ponad wierzchołek Cumulonimbus. Burza stanowi więc źródło zaburzenia elektrycznego, natomiast widoczny rozbłysk może rozwinąć się dziesiątki kilometrów dalej, w środowisku o zupełnie innych właściwościach fizycznych. Aby zrozumieć tę zależność, trzeba spojrzeć na chmurę burzową jako na rozbudowany układ elektryczny. W jej wnętrzu jednocześnie zachodzą intensywne ruchy pionowe, zamarzanie przechłodzonych kropelek, wzrost kryształków lodu, tworzenie krupy i gradu oraz liczne zderzenia hydrometeorów. Procesy te prowadzą do rozdzielania ładunków elektrycznych i stopniowego tworzenia obszarów o różnym znaku. Rozkład ładunku nie pozostaje niezmienny podczas całego cyklu życia burzy. Ewoluuje wraz z rozwojem komórki, siłą prądów wstępujących, rozmieszczeniem opadów oraz przemianami zachodzącymi wewnątrz chmury. W rozległych systemach konwekcyjnych sytuacja może być jeszcze bardziej skomplikowana, ponieważ aktywność elektryczna obejmuje ogromną przestrzeń i może trwać przez wiele godzin. Wyładowanie powoduje bardzo szybkie przemieszczenie części zgromadzonego ładunku. Z punktu widzenia TLE szczególnie istotne jest jednak nie tylko to, czy piorun był jasny lub głośny, lecz również ile ładunku zostało przemieszczone, na jakiej wysokości się znajdował i jak szybko zmienił się jego rozkład. Parametry te wpływają na siłę zaburzenia elektrycznego docierającego ponad burzę. Właśnie dlatego nie każda aktywna elektrycznie chmura wytwarza łatwo obserwowalne TLE. Jednego wieczoru nad rozległym systemem burzowym może pojawić się wiele spritów, podczas gdy inny układ generujący setki piorunów nie musi doprowadzić do równie licznych rozbłysków w mezosferze. Liczba klasycznych wyładowań nie jest jedynym czynnikiem decydującym o występowaniu tych zjawisk. Relacja pomiędzy burzą a TLE pokazuje również, że elektryczność atmosferyczna nie ogranicza się do przestrzeni pomiędzy powierzchnią Ziemi a wierzchołkami Cumulonimbus. Gwałtowne zmiany zachodzące w troposferze mogą oddziaływać na mezosferę i jonosferę, tworząc fizyczne powiązanie pomiędzy obszarami atmosfery oddalonymi od siebie o dziesiątki kilometrów.

Silne wyładowania elektryczne w chmurach burzowych

Podstawą elektrycznej aktywności Cumulonimbus jest rozdzielanie ładunków zachodzące w jego wnętrzu. Chmura burzowa zawiera jednocześnie ciekłą wodę, przechłodzone krople, kryształki lodu, krupę oraz niekiedy grad. Składniki te przemieszczają się w różnych kierunkach pod wpływem silnych prądów wznoszących, ruchów zstępujących i grawitacyjnego opadania cięższych hydrometeorów. Szczególne znaczenie mają zderzenia zachodzące w mieszanej fazie chmury, gdzie współistnieją cząstki lodowe oraz przechłodzona woda. Podczas kontaktu pomiędzy kryształkami lodu a krupą może dochodzić do przekazywania ładunku. Następnie prądy wstępujące unoszą lżejsze kryształki ku górnym partiom Cumulonimbus, podczas gdy cięższe cząstki pozostają niżej lub zaczynają opadać. W ten sposób następuje przestrzenne rozdzielenie ładunków. Rzeczywista struktura elektryczna burzy może być bardzo skomplikowana. Oprócz głównych obszarów naładowanych dodatnio i ujemnie mogą powstawać mniejsze centra, których położenie oraz intensywność zmieniają się w czasie. W rozległych układach wielokomórkowych poszczególne części systemu mogą znajdować się na różnych etapach rozwoju, co dodatkowo komplikuje cały układ. Wraz z rozdzielaniem ładunków wzrasta natężenie pola elektrycznego. Powietrze w normalnych warunkach pełni funkcję dobrego izolatora, ale nie może przeciwstawiać się rosnącej różnicy potencjałów bez ograniczeń. Po osiągnięciu odpowiednich warunków rozpoczyna się proces prowadzący do utworzenia kanału wyładowania. Piorun jest więc gwałtowną odpowiedzią na stan elektryczny powstały wewnątrz burzy. Może rozwijać się w obrębie jednej chmury, pomiędzy różnymi obszarami zachmurzenia albo pomiędzy Cumulonimbus a powierzchnią Ziemi. Z perspektywy TLE szczególnie interesujące są zdarzenia powodujące dużą i szybką zmianę rozkładu ładunku. W przypadku spritów często istotną rolę odgrywają silne dodatnie wyładowania chmura–ziemia, zwłaszcza gdy usuwają znaczną ilość ładunku z rozległego obszaru chmury. Sam znak pioruna nie wystarcza jednak do wyjaśnienia wystąpienia zjawiska. Znacznie ważniejsza jest zmiana momentu ładunku, uwzględniająca zarówno jego ilość, jak i wysokość, na której nastąpiło przemieszczenie. Ma to duże znaczenie dla pola elektrycznego znajdującego się ponad Cumulonimbus. Wyładowanie usuwające znaczną ilość ładunku z odpowiednio dużej wysokości może wywołać silniejsze zaburzenie niż inne zdarzenie, które z powierzchni Ziemi wydaje się równie efektowne. Dlatego jasność błyskawicy widzianej przez obserwatora nie jest prostym miernikiem zdolności pioruna do wywołania TLE. Niektóre sprity pojawiają się niemal natychmiast po wyładowaniu macierzystym, inne z niewielkim opóźnieniem. W tym krótkim czasie zmiana rozkładu ładunku wpływa na pole elektryczne znajdujące się dziesiątki kilometrów ponad burzą. Jeżeli warunki są odpowiednie, rozpoczyna się gwałtowny rozwój świecących struktur w rozrzedzonym powietrzu. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku Blue Jets i Gigantic Jets. Są one bardziej bezpośrednio związane z górną częścią elektrycznie aktywnej chmury i rozwijają się ku górze. Ich powstawanie zależy od konfiguracji ładunków wewnątrz Cumulonimbus oraz warunków umożliwiających rozpoczęcie wyładowania ponad jego wierzchołkiem. Burza stanowi zatem nie tylko miejsce występowania klasycznych piorunów, ale również źródło bardzo różnych zaburzeń elektrycznych zdolnych do oddziaływania na atmosferę wysoko ponad nią. Rodzaj późniejszego TLE zależy od charakteru procesu inicjującego oraz właściwości środowiska, do którego dociera jego wpływ.

Oddziaływanie wyładowań na górne warstwy atmosfery

Piorun jest niezwykle gwałtownym procesem elektrycznym. W bardzo krótkim czasie dochodzi do przepływu prądu oraz przemieszczenia ładunku, co powoduje zmianę pola elektrycznego wokół burzy. Skutki takiego zdarzenia nie kończą się na granicy chmury, ponieważ pole elektryczne obejmuje również przestrzeń znajdującą się wysoko ponad nią. Jeżeli wyładowanie doprowadzi do znacznej reorganizacji ładunków w Cumulonimbus, zmieniają się warunki elektryczne w całej kolumnie atmosfery znajdującej się nad układem. Odpowiedź poszczególnych poziomów zależy od gęstości powietrza, jego przewodnictwa oraz obecności swobodnych elektronów i jonów. W przypadku spritów kluczowe znaczenie może mieć krótkotrwałe pole quasi elektrostatyczne powstające po silnym wyładowaniu. Jeżeli osiągnie ono odpowiednią wartość w mezosferze, znajdujące się tam elektrony mogą zostać przyspieszone do energii umożliwiającej skuteczne zderzenia z cząsteczkami gazów. Rozpoczyna się wtedy proces prowadzący do powstawania licznych streamerów. Streamery są bardzo szybko rozwijającymi się, cienkimi kanałami jonizacyjnymi. Mogą rozprzestrzeniać się zarówno ku górze, jak i ku dołowi, tworząc rozbudowaną sieć włókien. Na nagraniach wykonanych szybkimi kamerami widać, że struktura sprita nie pojawia się jednocześnie w całej swojej objętości, lecz dynamicznie rozwija się w niezwykle krótkim czasie. Inny sposób przekazywania oddziaływania związany jest z impulsem elektromagnetycznym generowanym przez gwałtowny prąd piorunowy. Fala elektromagnetyczna rozchodzi się ku wyższym partiom atmosfery z prędkością bliską prędkości światła. Dzięki temu może dotrzeć w okolice dolnej jonosfery praktycznie natychmiast w skali czasu typowej dla zjawisk pogodowych. Po zetknięciu z tym środowiskiem impuls oddziałuje na obecne tam elektrony. W wyniku zderzeń dochodzi do wzbudzania cząsteczek atmosferycznych, a następnie emisji światła. Mechanizm ten ma szczególne znaczenie w przypadku ELVES, które mogą powstawać bardzo szybko i obejmować ogromny obszar. Rozchodzenie się oddziaływania elektrycznego ku górze nie oznacza zatem fizycznego transportowania całej energii burzy jednym kanałem od chmury do jonosfery. W zależności od rodzaju TLE istotne mogą być różne mechanizmy: zmiana pola quasi elektrostatycznego, propagacja impulsu elektromagnetycznego albo bezpośredni rozwój wyładowania ponad wierzchołkiem Cumulonimbus. Wysokie partie atmosfery reagują na te zaburzenia inaczej niż dolna troposfera. Powodem jest przede wszystkim znacznie mniejsza koncentracja cząsteczek oraz zmieniające się przewodnictwo elektryczne. Proces, który w gęstym powietrzu przy powierzchni Ziemi rozwijałby się na niewielkiej przestrzeni, w mezosferze może prowadzić do powstania struktury o długości wielu kilometrów. TLE są więc widzialnym przejawem znacznie szerszego procesu. Sam rozbłysk stanowi końcowy efekt oddziaływania energii elektrycznej na określony obszar atmosfery. Za jego pojawieniem się kryje się cały ciąg zdarzeń rozpoczynający się w głębi aktywnego układu burzowego.

Dlaczego TLE pojawiają się wysoko ponad chmurami?

Wysokość występowania TLE wynika przede wszystkim ze zmieniających się właściwości fizycznych atmosfery. Powietrze otaczające człowieka przy powierzchni Ziemi jest stosunkowo gęste. W jednym centymetrze sześciennym znajduje się ogromna liczba cząsteczek, a poruszający się elektron bardzo często się z nimi zderza. Kilkadziesiąt kilometrów wyżej sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Wraz ze spadkiem ciśnienia rośnie średnia droga swobodna cząstek, czyli odległość, jaką mogą pokonać pomiędzy kolejnymi zderzeniami. Elektron przyspieszany przez pole elektryczne ma dzięki temu możliwość zgromadzenia większej energii przed kontaktem z następną cząsteczką. Jeżeli energia zderzenia jest wystarczająca, cząsteczka może zostać wzbudzona. Oznacza to przejście jej elektronów na wyższy poziom energetyczny. Przy jeszcze większej energii możliwa jest jonizacja, podczas której jeden z elektronów zostaje oderwany, pozostawiając dodatnio naładowany jon. Powstające swobodne elektrony mogą następnie uczestniczyć w kolejnych zderzeniach. Jeżeli warunki są odpowiednie, proces rozwija się lawinowo. W krótkim czasie liczba naładowanych cząstek gwałtownie rośnie, umożliwiając powstanie kanałów jonizacyjnych i rozbudowanych struktur wyładowania. Znaczenie ma przy tym nie tylko bezwzględna wartość pola elektrycznego, lecz również jego stosunek do gęstości gazu. Dlatego warunki wystarczające do rozpoczęcia określonego procesu na wysokości kilkudziesięciu kilometrów mogą bardzo różnić się od tych wymaganych blisko powierzchni Ziemi. Kolejna zmiana zachodzi w miarę zbliżania się do jonosfery. Promieniowanie słoneczne jonizuje tam część cząsteczek atmosferycznych, prowadząc do obecności znacznie większej liczby swobodnych elektronów i jonów. Zwiększa to przewodnictwo elektryczne środowiska i wpływa na sposób jego reakcji na zaburzenia docierające z niższych poziomów. Istnieje również naturalna granica wysokości, do której mogą rozwijać się niektóre struktury. Wraz ze wzrostem przewodnictwa ładunki mogą być szybciej neutralizowane, a pole elektryczne ulega ekranowaniu. Dlatego poszczególne TLE nie rozwijają się dowolnie wysoko, lecz występują w zakresach sprzyjających konkretnemu mechanizmowi. Dobrze widać to na przykładzie spritów. Ich główna struktura rozwija się w mezosferze, ponieważ właśnie tam może powstać odpowiednia kombinacja niewielkiej gęstości powietrza i dostatecznie silnego pola elektrycznego. Poniżej warunki są inne ze względu na większą koncentrację cząsteczek, natomiast wyżej coraz większą rolę zaczyna odgrywać przewodnictwo związane z jonosferą. Blue Jets rozpoczynają się znacznie niżej, ponieważ ich rozwój jest bezpośrednio związany z górnymi partiami chmury burzowej. Gigantic Jets mogą pokonać dużo większą odległość pionową, rozciągając się pomiędzy Cumulonimbus a obszarem dolnej jonosfery. ELVES pojawiają się natomiast wysoko, ponieważ ich powstanie wymaga oddziaływania impulsu elektromagnetycznego z odpowiednio zjonizowanym środowiskiem. Umiejscowienie TLE wysoko ponad burzami nie jest więc przypadkowym skutkiem tego, że energia wyładowania „ucieka” ku górze. Poszczególne poziomy atmosfery tworzą odmienne środowiska elektryczne, a każdy rodzaj zjawiska rozwija się tam, gdzie zostają spełnione właściwe dla niego warunki. Związek pomiędzy burzą a TLE można zatem rozpatrywać jako połączenie dwóch odległych obszarów atmosfery. W troposferze powstaje silnie zelektryzowany Cumulonimbus i dochodzi do wyładowania. Dziesiątki kilometrów wyżej następuje odpowiedź rozrzedzonego lub częściowo zjonizowanego środowiska. Pomiędzy tymi miejscami zachodzi przekazywanie oddziaływania za pośrednictwem pola elektrycznego, fal elektromagnetycznych albo bezpośrednio rozwijającego się wyładowania. Dzięki TLE można więc obserwować jeden z najbardziej niezwykłych przykładów wzajemnego oddziaływania różnych części atmosfery. Piorun, którego kanał rozwija się w troposferze, może stać się początkiem procesu widocznego wysoko w mezosferze lub dolnej jonosferze. W następnym rozdziale można już dokładnie prześledzić kolejne etapy tego mechanizmu, od wyładowania podczas burzy aż do powstania krótkotrwałego rozbłysku światła.

Jak powstają zjawiska TLE?

Powstawanie zjawisk TLE jest złożonym procesem łączącym aktywność elektryczną burzy z reakcją atmosfery znajdującej się dziesiątki kilometrów ponad chmurami Cumulonimbus. Nie można sprowadzić go wyłącznie do stwierdzenia, że silny piorun wywołuje świetlisty rozbłysk wysoko na niebie. Pomiędzy wyładowaniem a pojawieniem się widzialnej struktury zachodzi szereg bardzo szybkich procesów fizycznych związanych ze zmianą pola elektrycznego, propagacją energii, ruchem elektronów, wzbudzaniem cząsteczek gazów oraz jonizacją rozrzedzonego powietrza. Mechanizm nie jest identyczny dla wszystkich rodzajów TLE. Sprity są silnie związane z gwałtownymi zmianami pola elektrycznego po odpowiednio silnych wyładowaniach. W przypadku ELVES szczególne znaczenie ma impuls elektromagnetyczny generowany przez prąd piorunowy. Blue Jets i Gigantic Jets rozwijają się natomiast bezpośrednio ponad górnymi częściami chmur burzowych i wymagają innego przebiegu procesów elektrycznych. Można jednak wskazać wspólną zależność. Początek znajduje się w aktywnej elektrycznie burzy, natomiast dalszy przebieg zależy od rodzaju zaburzenia oraz właściwości atmosfery na danej wysokości. Im wyżej nad powierzchnią Ziemi, tym mniejsze stają się ciśnienie i gęstość powietrza. Zmienia się również jego przewodnictwo, częstość zderzeń cząstek oraz stopień jonizacji. W rezultacie energia pochodząca z wyładowania może wywołać reakcję bardzo różniącą się od tej obserwowanej w dolnej troposferze. Widzialny rozbłysk stanowi więc końcowy etap znacznie dłuższego ciągu przyczynowo skutkowego. Najpierw w Cumulonimbus musi rozwinąć się odpowiednia struktura elektryczna. Następnie dochodzi do gwałtownego przemieszczenia ładunku. Powstałe zaburzenie oddziałuje na wyższe partie atmosfery, gdzie przyspieszone elektrony przekazują energię cząsteczkom gazów. Dopiero ich wzbudzenie oraz późniejszy powrót do niższych stanów energetycznych prowadzą do emisji światła.

Wyładowanie elektryczne podczas burzy

Proces prowadzący do powstania TLE rozpoczyna się znacznie wcześniej niż sam rozbłysk obserwowany ponad Cumulonimbus. Warunkiem podstawowym jest rozwój silnie zelektryzowanej chmury burzowej, wewnątrz której następuje intensywne rozdzielanie ładunków. Cumulonimbus posiada bardzo dużą rozciągłość pionową. W dojrzałej burzy jego dolne partie mogą znajdować się stosunkowo blisko powierzchni Ziemi, natomiast wierzchołek dochodzi do tropopauzy, a najsilniejsze prądy wstępujące mogą chwilowo wypychać fragment chmury jeszcze wyżej. Wewnątrz tak potężnej struktury występują znaczne różnice temperatury oraz różne stany skupienia wody. W niższych partiach dominują przede wszystkim krople ciekłej wody. Wyżej pojawia się coraz więcej przechłodzonych kropelek, kryształków lodu, krupy i gradu. Jednocześnie powietrze porusza się pionowo z dużą prędkością. Lżejsze cząstki mogą być unoszone, cięższe zaczynają opadać, a pomiędzy nimi dochodzi do ogromnej liczby zderzeń. Szczególnie istotne są procesy zachodzące w części chmury zawierającej jednocześnie wodę w stanie ciekłym oraz lodowym. Zderzenia pomiędzy kryształkami lodu, krupą i przechłodzonymi kroplami sprzyjają wymianie ładunku elektrycznego. Następnie hydrometeory o różnych właściwościach są rozdzielane przez ruchy pionowe. W rezultacie w Cumulonimbus powstają rozległe obszary posiadające odmienne znaki ładunku. Klasyczny, uproszczony model przedstawia dodatnio naładowaną górną część chmury, główny obszar ujemny położony niżej oraz mniejszą strefę dodatnią w pobliżu podstawy. Rzeczywista struktura może być jednak znacznie bardziej skomplikowana i obejmować kilka dodatkowych centrów elektrycznych. Wraz z gromadzeniem i przestrzennym rozdzielaniem ładunków rośnie natężenie pola elektrycznego. W pewnym momencie warunki stają się wystarczające do rozpoczęcia procesu prowadzącego do powstania wyładowania. Rozwija się kanał umożliwiający przepływ prądu oraz gwałtowne przemieszczenie części zgromadzonego ładunku. Dla TLE szczególnie ważne są właściwości konkretnego wyładowania. Nie wystarczy, że piorun jest jasny lub widoczny z dużej odległości. Znaczenie ma między innymi ilość przemieszczonego ładunku, jego położenie, czas przepływu prądu oraz wielkość zmiany momentu ładunku. W przypadku wielu spritów szczególnie korzystne okazują się silne dodatnie wyładowania chmura ziemia, które usuwają znaczną ilość dodatniego ładunku z wyższych obszarów systemu burzowego. Po takim zdarzeniu pole elektryczne ponad chmurą może zostać bardzo szybko zmienione. Nie oznacza to jednak, że każdy dodatni piorun spowoduje powstanie sprita ani że inne wyładowania są całkowicie pozbawione takiej możliwości. Istotna jest skala reorganizacji elektrycznej całego układu. Jeżeli zmiana jest odpowiednio duża, jej wpływ może zostać zaznaczony nie tylko w bezpośrednim sąsiedztwie Cumulonimbus, ale również dziesiątki kilometrów powyżej. W przypadku Blue Jets oraz Gigantic Jets sytuacja przebiega inaczej. Tutaj kluczową rolę odgrywa konfiguracja elektryczna górnej części chmury i możliwość rozpoczęcia wyładowania skierowanego ku górze. Zjawisko nie musi być prostą odpowiedzią mezosfery na wcześniejszy piorun chmura ziemia, ponieważ rozwój struktury jest znacznie bardziej bezpośrednio związany z samym Cumulonimbus. Pierwszy etap powstawania TLE pokazuje więc, dlaczego nie można traktować ich jako przypadkowych błysków pojawiających się ponad dowolną burzą. Wszystko rozpoczyna się od określonej struktury elektrycznej chmury oraz zdarzenia zdolnego do wywołania wystarczająco silnego zaburzenia.

Powstanie silnego impulsu elektromagnetycznego

Gwałtowny przepływ prądu w kanale pioruna powoduje powstanie zaburzenia elektromagnetycznego. Im szybsza zmiana natężenia prądu, tym silniejsza może być związana z nią składowa impulsowa. Energia elektromagnetyczna zaczyna rozchodzić się od miejsca wyładowania i nie pozostaje ograniczona wyłącznie do wnętrza chmury. W skali atmosferycznej propagacja zachodzi niezwykle szybko. Fala elektromagnetyczna porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, dlatego może dotrzeć do wysokości kilkudziesięciu kilometrów w ułamku milisekundy. Z punktu widzenia człowieka reakcja wysokich warstw atmosfery następuje praktycznie natychmiast. Impuls nie zachowuje się jak materialny obiekt wyrzucany z chmury. Jest szybko zmieniającym się polem elektromagnetycznym rozchodzącym się w przestrzeni. Gdy dociera do środowiska zawierającego swobodne elektrony i cząsteczki gazów, może przekazywać im energię. Mechanizm ten ma szczególnie duże znaczenie dla ELVES. Silny impuls pochodzący od pioruna dociera do dolnej jonosfery i oddziałuje na znajdujące się tam elektrony. Te zostają przyspieszone i zaczynają zderzać się z cząsteczkami atmosferycznymi. Powstają stany wzbudzone, których późniejszy zanik prowadzi do emisji światła. Ponieważ fala elektromagnetyczna rozchodzi się na dużym obszarze, powstająca emisja nie przypomina wąskiego kanału błyskawicy. Przyjmuje formę szybko rozszerzającego się pierścienia. W ciągu niezwykle krótkiego czasu może on osiągnąć średnicę liczonych w setkach kilometrów. Nie wszystkie TLE powstają jednak bezpośrednio wskutek impulsu elektromagnetycznego. W przypadku spritów ważniejszą rolę może odgrywać quasi elektrostatyczne pole powstające po gwałtownej zmianie rozmieszczenia ładunku w burzy. Rozróżnienie tych mechanizmów jest konieczne, ponieważ pozwala uniknąć błędnego wrażenia, że każda forma TLE jest skutkiem identycznego impulsu. Można więc powiedzieć, że silne wyładowanie uruchamia kilka rodzajów oddziaływań jednocześnie. Zmienia rozkład pola elektrycznego, generuje promieniowanie elektromagnetyczne oraz reorganizuje strukturę ładunków w układzie burzowym. O tym, który mechanizm stanie się najważniejszy dla późniejszego rozbłysku, decyduje rodzaj TLE oraz warunki panujące ponad burzą.

Oddziaływanie impulsu na rozrzedzone powietrze

Wysokie warstwy atmosfery stanowią środowisko radykalnie odmienne od dolnej troposfery. Najważniejszą różnicą jest znacznie mniejsza gęstość powietrza. Na wysokości kilkudziesięciu kilometrów cząsteczki gazów są rozmieszczone znacznie rzadziej, a ciśnienie stanowi niewielką część wartości obserwowanej przy powierzchni Ziemi. Ma to ogromne znaczenie dla zachowania elektronów w polu elektrycznym. W gęstym powietrzu elektron często zderza się z innymi cząstkami, przez co jego droga swobodna jest bardzo krótka. W rozrzedzonym środowisku może przebyć większą odległość przed następnym zderzeniem. Jeżeli w tym czasie działa na niego odpowiednio silne pole elektryczne, elektron jest przyspieszany i stopniowo zwiększa swoją energię kinetyczną. Gdy w końcu dochodzi do zderzenia z cząsteczką azotu lub tlenu, energia może zostać przekazana cząsteczce. W zależności od jej wielkości skutkiem będzie wzbudzenie albo jonizacja. Proces może następnie obejmować kolejne cząstki. Jeżeli powstają dodatkowe swobodne elektrony, również zostają przyspieszone i uczestniczą w dalszych zderzeniach. W odpowiednich warunkach rozpoczyna się gwałtownie rozwijająca lawina elektronowa. Liczba naładowanych cząstek szybko wzrasta, a lokalne właściwości elektryczne gazu zaczynają się zmieniać. Może dojść do powstania cienkich kanałów jonizacyjnych określanych jako streamery. Streamery odgrywają szczególnie ważną rolę w strukturze spritów. Na bardzo szybkich nagraniach widać, że charakterystyczne włókna nie pojawiają się jednocześnie. Poszczególne kanały rozwijają się z ogromną prędkością, rozgałęziają i przemieszczają zarówno ku górze, jak i ku dołowi. Skala tych struktur jest konsekwencją niewielkiej gęstości atmosfery. Zjawiska elektryczne występujące w rozrzedzonym gazie mogą osiągać znacznie większe rozmiary niż podobne procesy zachodzące w warunkach panujących przy powierzchni Ziemi. Dlatego pojedynczy Sprite może rozciągać się przez znaczną część mezosfery. Rozrzedzenie powietrza nie jest jednak jedynym czynnikiem. Wraz ze wzrostem wysokości zmieniają się również przewodnictwo atmosfery, liczba swobodnych elektronów oraz wpływ promieniowania słonecznego. Wszystkie te elementy decydują o tym, czy zaburzenie pochodzące z burzy doprowadzi do rozwoju widzialnego TLE.

Jonizacja i wzbudzenie cząsteczek atmosfery

Jonizacja oraz wzbudzenie są kluczowymi procesami prowadzącymi do powstania światła obserwowanego podczas TLE, ale nie oznaczają tego samego. Wzbudzenie następuje wtedy, gdy cząsteczka otrzymuje porcję energii, która powoduje przejście jej układu elektronowego do wyższego stanu energetycznego. Cząsteczka pozostaje jednak elektrycznie obojętna, ponieważ żaden elektron nie zostaje z niej całkowicie usunięty. Stan wzbudzony jest nietrwały. Po bardzo krótkim czasie układ dąży do powrotu do niższego poziomu energetycznego. Nadmiar energii może zostać wtedy wypromieniowany w postaci fotonu. Jonizacja wymaga natomiast dostarczenia większej energii. Jeżeli zderzenie jest wystarczająco energetyczne, elektron może zostać oderwany od cząsteczki. Powstaje dodatnio naładowany jon oraz kolejny swobodny elektron, który może uczestniczyć w dalszym rozwoju procesu. W atmosferze największe znaczenie mają azot i tlen. Szczególnie istotne dla widzialnej emisji wielu TLE są układy energetyczne cząsteczek azotu oraz jego jonów. Rodzaj emitowanego promieniowania zależy od konkretnego przejścia energetycznego, dlatego poszczególne procesy mogą prowadzić do różnych barw. Czerwone zabarwienie charakterystyczne dla górnych części spritów jest związane głównie z emisją wzbudzonego azotu cząsteczkowego. W niższych fragmentach, gdzie gęstość atmosfery jest większa, mogą pojawiać się inne pasma emisji, dzięki czemu obserwowana struktura przyjmuje bardziej złożoną kolorystykę. Niebieskie i fioletowe światło związane z Blue Jets wynika z innych dominujących przejść energetycznych. Barwa TLE nie jest więc przypadkową cechą wizualną, ale zawiera informację o procesach fizycznych zachodzących w danym obszarze. Wzbudzenie i jonizacja przebiegają niezwykle szybko. W ciągu bardzo krótkiego czasu ogromna liczba cząsteczek może wejść w interakcję z energetycznymi elektronami. W efekcie obszar mający wiele kilometrów długości zaczyna emitować promieniowanie niemal równocześnie z perspektywy ludzkiego oka. Proces nie trwa jednak długo. Po osłabieniu pola elektrycznego elektrony przestają uzyskiwać energię potrzebną do podtrzymywania lawinowej jonizacji. Cząsteczki powracają do niższych stanów energetycznych, a emisja szybko zanika.

Powstanie krótkotrwałego rozbłysku światła

Widzialny rozbłysk jest końcowym rezultatem całego łańcucha procesów zapoczątkowanych podczas aktywności elektrycznej burzy. Energia przekazana cząsteczkom atmosferycznym zostaje częściowo wypromieniowana, dzięki czemu powstaje światło możliwe do zarejestrowania przez kamerę, a w odpowiednich warunkach również do zauważenia gołym okiem. Nie oznacza to jednak, że cała struktura TLE zaczyna świecić jednocześnie. Nowoczesne nagrania wykonywane z dużą liczbą klatek na sekundę pokazują niezwykle dynamiczny rozwój poszczególnych form. W przypadku spritów najpierw może pojawić się niewielka część struktury, po czym błyskawicznie rozwijają się kolejne streamery, rozgałęzienia oraz obszary rozproszonej emisji. Prędkości rozwoju struktur są ogromne. W ciągu kilku milisekund świecące kanały mogą pokonać wiele kilometrów. Dla ludzkiego wzroku cały proces zlewa się w pojedynczy błysk, chociaż w rzeczywistości składa się z następujących po sobie etapów. Krótki czas trwania wynika przede wszystkim z chwilowego charakteru warunków umożliwiających emisję. Silne pole elektryczne powstałe po wyładowaniu nie utrzymuje swojej maksymalnej wartości przez długi czas. Atmosfera reaguje na zaburzenie, ładunki ulegają redystrybucji, a wzrastające przewodnictwo pomaga osłabić pole. Gdy elektrony przestają być skutecznie przyspieszane, maleje liczba zderzeń powodujących wzbudzenie oraz jonizację. Cząsteczki znajdujące się jeszcze w stanach wzbudzonych szybko oddają energię i powracają do niższych poziomów. Emisja światła zanika. W przypadku ELVES cały proces jest jeszcze szybszy. Impuls elektromagnetyczny przechodzi przez odpowiedni obszar dolnej jonosfery i wzbudza cząsteczki w rozszerzającym się pierścieniu. Ponieważ fala przemieszcza się niemal z prędkością światła, średnica widocznej struktury rośnie niezwykle szybko, a całość może trwać krócej niż jedna milisekunda. Sprity mogą być widoczne nieco dłużej, szczególnie gdy składają się z kilku kolejnych elementów albo pojawiają się jako całe zespoły. Nadal jednak mówimy o czasie tak krótkim, że zwykła obserwacja nie pozwala prześledzić wszystkich etapów ich rozwoju. Blue Jets oraz Gigantic Jets mają inną dynamikę, ponieważ rozwijają się jako wyładowania skierowane ku górze. Ich widoczna struktura może ewoluować przez dłuższy czas niż błysk ELVES, lecz w skali typowych zjawisk pogodowych nadal są zdarzeniami niezwykle krótkimi. Końcowy wygląd rozbłysku zależy zatem od całego zestawu czynników. Znaczenie mają rodzaj wyładowania inicjującego, wysokość, gęstość atmosfery, natężenie pola elektrycznego, koncentracja elektronów, skład gazowy oraz sposób propagacji procesu. Właśnie dlatego rodzina TLE obejmuje tak różnorodne formy, mimo że wszystkie pozostają związane z aktywnością elektryczną burz. Schemat prowadzący od pioruna do światła można więc rozumieć jako niezwykle szybkie przekazywanie energii pomiędzy różnymi elementami atmosferycznego układu elektrycznego. Burza inicjuje zaburzenie, wyższe warstwy atmosfery reagują na nie zgodnie ze swoimi właściwościami fizycznymi, elektrony przekazują energię cząsteczkom gazów, a ich późniejsza emisja tworzy widoczny rozbłysk. W ciągu zaledwie ułamka sekundy proces rozpoczęty w Cumulonimbus może pozostawić świetlisty ślad dziesiątki kilometrów ponad chmurą. Ta ogromna różnica wysokości, połączona z niezwykle krótkim czasem przebiegu i skalą powstających struktur, sprawia, że TLE należą do najbardziej spektakularnych przejawów elektrycznej aktywności ziemskiej atmosfery.

Jakie są rodzaje zjawisk TLE?

Rodzina TLE obejmuje kilka wyraźnie różniących się zjawisk występujących ponad aktywnymi chmurami burzowymi. Nie tworzą one jednej grupy identycznych wyładowań, lecz zbiór procesów elektrycznych i świetlnych o odmiennym przebiegu, wyglądzie oraz zakresie wysokości. Niektóre rozwijają się bezpośrednio ponad wierzchołkiem Cumulonimbus, inne pojawiają się dopiero kilkadziesiąt kilometrów wyżej, a część może obejmować ogromne obszary dolnej jonosfery. Najłatwiej dostrzegalne różnice dotyczą kształtu i barwy. Sprity kojarzone są przede wszystkim z czerwonymi, często silnie rozgałęzionymi strukturami. Blue Jets tworzą niebieskie strumienie skierowane ku górze. Gigantic Jets osiągają znacznie większą rozciągłość pionową i mogą łączyć górne partie burzy z obszarami położonymi w pobliżu dolnej jonosfery. ELVES mają zupełnie inną geometrię, ponieważ przybierają postać rozległych, szybko rozszerzających się pierścieni świetlnych. Różnorodność nie ogranicza się jednak do wyglądu. Poszczególne formy powstają wskutek odmiennych mechanizmów fizycznych, dlatego nie należy traktować ich jako kolejnych odmian tego samego zjawiska. Wspólnym elementem pozostaje związek z aktywnością elektryczną burz oraz występowanie ponad obszarem zajmowanym przez klasyczne wyładowania atmosferyczne.

Sprite – czerwone duszki

Sprite, nazywany również czerwonym duszkiem, jest jednym z najbardziej rozpoznawalnych zjawisk TLE. Pojawia się wysoko ponad aktywnymi burzami, przede wszystkim w mezosferze, i może tworzyć czerwone lub czerwonopomarańczowe struktury przypominające kolumny, marchewki, rozgałęzione korzenie albo ogromne meduzy. Sprity są zazwyczaj związane z silnymi wyładowaniami powodującymi znaczną zmianę pola elektrycznego ponad układem burzowym. Mimo imponujących rozmiarów ich rozwój przebiega niezwykle szybko, a widoczna struktura może rozciągać się przez dziesiątki kilometrów.

Blue Jets – niebieskie strumienie

Blue Jets, czyli niebieskie strumienie, rozwijają się ponad górnymi partiami chmur Cumulonimbus i przemieszczają ku coraz większym wysokościom. Mają charakterystyczną niebieską lub niebieskofioletową barwę i zwykle przyjmują kształt wąskiego stożka albo strumienia rozszerzającego się wraz z odległością od wierzchołka burzy. W przeciwieństwie do spritów ich początek jest bezpośrednio związany z górną częścią chmury burzowej. Nie osiągają zazwyczaj wysokości charakterystycznych dla najwyżej występujących TLE, ale mogą sięgać głęboko w stratosferę.

Gigantic Jets – gigantyczne strumienie

Gigantic Jets należą do najbardziej imponujących pionowo zjawisk elektrycznych obserwowanych ponad burzami. Rozpoczynają się w górnych obszarach Cumulonimbus i rozwijają ku górze, mogąc osiągać wysokości rzędu kilkudziesięciu kilometrów oraz zbliżać się do dolnej jonosfery. Ich wyjątkowość polega na możliwości utworzenia rozległego wyładowania pomiędzy chmurą burzową a znacznie wyżej położonym środowiskiem atmosferycznym. Pod względem zasięgu pionowego wyraźnie przewyższają klasyczne Blue Jets.

ELVES

ELVES należą do najbardziej krótkotrwałych i jednocześnie najbardziej rozległych przestrzennie przedstawicieli rodziny TLE. Powstają wysoko w atmosferze wskutek oddziaływania silnego impulsu elektromagnetycznego pochodzącego od pioruna na dolną część jonosfery. Zjawisko przyjmuje postać szybko rozszerzającego się pierścienia lub dysku słabej emisji świetlnej. Jego średnica może osiągać setki kilometrów, mimo że cały proces trwa niezwykle krótko, często mniej niż jedną milisekundę.

Pozostałe zjawiska należące do rodziny TLE

Rodzina TLE nie ogranicza się do spritów, Blue Jets, Gigantic Jets oraz ELVES. W obserwacjach wyróżnia się również inne formy świetlne związane z aktywnością elektryczną burz, między innymi Halo, Troll, Pixie, Ghost i Gnome. Poszczególne zjawiska różnią się wyglądem, czasem trwania, miejscem występowania oraz związkiem z innymi strukturami elektrycznymi. Ze względu na ich odmienny charakter wymagają osobnego omówienia, dlatego tutaj stanowią jedynie uzupełnienie podstawowego podziału rodziny TLE.

Na jakich wysokościach występują zjawiska TLE?

Zjawiska TLE wyróżniają się wyjątkowo dużym zakresem wysokości występowania. W zależności od konkretnego rodzaju mogą rozpoczynać się tuż ponad wierzchołkami potężnych chmur Cumulonimbus, rozwijać w stratosferze i mezosferze albo pojawiać w pobliżu dolnej jonosfery. Oznacza to, że cała rodzina obejmuje przestrzeń rozciągającą się przez dziesiątki kilometrów i kilka obszarów atmosfery o bardzo różnych właściwościach fizycznych. Nie istnieje zatem jedna charakterystyczna wysokość właściwa wszystkim TLE. Blue Jets rozwijają się stosunkowo nisko w porównaniu ze spritami czy ELVES, ponieważ ich początek związany jest bezpośrednio z górnymi partiami chmury burzowej. Gigantic Jets mogą osiągać znacznie większą rozciągłość pionową. Sprity występują przede wszystkim w mezosferze, natomiast ELVES obserwowane są w pobliżu dolnej jonosfery. Różnice te wynikają z mechanizmu powstawania poszczególnych zjawisk. Gęstość powietrza, ciśnienie, przewodnictwo elektryczne oraz stopień jonizacji zmieniają się bardzo wyraźnie wraz z wysokością. Warunki sprzyjające rozwojowi strumienia rozpoczynającego się ponad Cumulonimbus nie są więc takie same jak te, które umożliwiają powstanie ogromnej emisji świetlnej kilkadziesiąt kilometrów wyżej. Istotne jest również to, że podawane wysokości należy traktować jako wartości orientacyjne. Atmosfera nie posiada nieruchomych granic znajdujących się zawsze na identycznym poziomie, a rozmiary poszczególnych TLE mogą różnić się pomiędzy kolejnymi przypadkami. Na ich pionowy zasięg wpływają zarówno właściwości zdarzenia elektrycznego, jak i aktualny stan środowiska atmosferycznego.

Obszar od górnej troposfery po termosferę

Najniższy obszar związany z występowaniem rodziny TLE znajduje się w pobliżu górnej granicy troposfery. Właśnie tam mogą dochodzić wierzchołki szczególnie silnie rozbudowanych chmur Cumulonimbus. Wysokość tropopauzy nie jest jednakowa na całej Ziemi. Zależy między innymi od szerokości geograficznej, pory roku oraz aktualnego stanu atmosfery, dlatego również poziom wierzchołków burz wykazuje znaczne zróżnicowanie. Ponad troposferą znajduje się stratosfera. W jej obrębie mogą rozwijać się Blue Jets, które rozpoczynają się nad górną częścią Cumulonimbus i kierują ku coraz większym wysokościom. Ich zasięg może dochodzić do około 40–50 kilometrów, chociaż poszczególne przypadki różnią się rozmiarami. Oznacza to, że pojedyncza struktura może przejść przez znaczną część stratosfery. Wyżej znajduje się mezosfera, niezwykle ważna dla występowania spritów. Rozbudowane czerwone duszki pojawiają się zwykle mniej więcej w zakresie od około 40–50 do 90 kilometrów, przy czym najbardziej charakterystyczne części często obserwowane są na wysokościach około 50–85 kilometrów. Dolne streamery mogą schodzić niżej, natomiast górna poświata rozwija się bliżej granicy mezosfery i termosfery. Wysokość sprita nie oznacza jednego punktu, w którym znajduje się całe zjawisko. Jego struktura może zajmować ogromny zakres pionowy. Górna część bywa rozległa i bardziej rozproszona, podczas gdy poniżej rozwijają się liczne cienkie kanały przypominające korzenie lub włókna. Różnica pomiędzy najniższymi i najwyższymi fragmentami jednego rozbudowanego przypadku może wynosić kilkadziesiąt kilometrów. Jeszcze bardziej imponującą drogę mogą pokonywać Gigantic Jets. Ich początek znajduje się w górnej części aktywnej elektrycznie chmury burzowej, natomiast najwyższe fragmenty mogą docierać w okolice 80–90 kilometrów. Tym samym pojedyncze wyładowanie przechodzi przez znaczną część przestrzeni oddzielającej troposferę od dolnej jonosfery. ELVES występują przeważnie w okolicach 80–100 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, czyli w pobliżu dolnej jonosfery i przejścia pomiędzy mezosferą a termosferą. W ich przypadku najważniejsza nie jest jednak rozciągłość pionowa, lecz ogromny zasięg poziomy. Emisja tworzy bardzo szybko rozszerzającą się strukturę, która może osiągać średnicę liczonych w setkach kilometrów. Cała rodzina TLE obejmuje więc wyjątkowo szeroki obszar atmosfery. Jej najniższe formy pozostają związane z górnymi częściami Cumulonimbus, podczas gdy najwyższe występują w środowisku, w którym coraz większe znaczenie mają procesy jonizacyjne. Z tego powodu TLE stanowią szczególny przykład zjawisk łączących aktywność pogodową troposfery z procesami zachodzącymi znacznie wyżej.

Dlaczego poszczególne TLE występują na różnych wysokościach?

Podstawową przyczyną jest zmienność właściwości atmosfery wraz ze wzrostem odległości od powierzchni Ziemi. Powietrze staje się coraz rzadsze, spada ciśnienie, zmienia się temperatura, wzrasta średnia droga swobodna cząstek, a na bardzo dużych wysokościach coraz istotniejsza staje się obecność jonów oraz swobodnych elektronów. Każdy z tych czynników wpływa na sposób rozwoju procesów elektrycznych. W dolnych częściach atmosfery gęstość gazu jest stosunkowo duża. Elektrony przyspieszane przez pole elektryczne szybko zderzają się z cząsteczkami, dlatego mają niewiele czasu na uzyskanie znacznej energii pomiędzy kolejnymi zderzeniami. Kilkadziesiąt kilometrów wyżej odległości pomiędzy cząsteczkami są większe, co radykalnie zmienia warunki powstawania i propagacji wyładowań. Ważną rolę odgrywa zależność pomiędzy natężeniem pola elektrycznego a gęstością gazu. Wraz z rozrzedzeniem atmosfery zmienia się próg niezbędny do rozpoczęcia lawinowych procesów jonizacyjnych. Dzięki temu zaburzenie elektryczne pochodzące z burzy może wywołać gwałtowną reakcję w mezosferze, nawet jeżeli samo źródło znajduje się wiele kilometrów niżej. Sprity są dobrym przykładem znaczenia tej zależności. Po odpowiednio silnym wyładowaniu pole elektryczne powstałe ponad układem burzowym może osiągnąć w mezosferze warunki sprzyjające przyspieszaniu elektronów i rozwojowi streamerów. Gdyby identyczne zaburzenie oddziaływało na znacznie gęstsze powietrze, przebieg procesu byłby inny. Blue Jets występują niżej, ponieważ ich mechanizm jest silniej związany z elektryczną strukturą górnych partii Cumulonimbus. Wyładowanie rozpoczyna się w pobliżu chmury i rozwija ku górze, stopniowo wkraczając w coraz bardziej rozrzedzone środowisko stratosfery. Gigantic Jets mogą osiągać dużo większy zasięg, ponieważ w sprzyjających warunkach ich rozwój nie kończy się w stratosferze. Struktura propaguje dalej, kierując się w stronę dolnej jonosfery. Powstaje w ten sposób niezwykłe połączenie elektryczne pomiędzy burzą a wysoko położonym obszarem atmosfery. ELVES wymagają jeszcze innych warunków. Ich pojawienie się związane jest z oddziaływaniem impulsu elektromagnetycznego na dolną jonosferę. Dopiero na odpowiedniej wysokości występuje środowisko o właściwościach umożliwiających powstanie rozległej emisji świetlnej charakterystycznej dla tego zjawiska. Znaczenie ma również zmieniające się przewodnictwo elektryczne. Im bliżej jonosfery, tym większą rolę zaczyna odgrywać jonizacja wywoływana głównie przez promieniowanie słoneczne. Wzrost liczby swobodnych elektronów wpływa na reakcję atmosfery na pola oraz fale elektromagnetyczne pochodzące z burz. Właśnie dlatego poszczególnych TLE nie można dowolnie przenieść na inną wysokość. Każdy typ rozwija się w takim środowisku, w którym jego mechanizm fizyczny może przebiegać wystarczająco efektywnie. Poziom pojawienia się struktury jest więc bezpośrednio związany z gęstością gazu, właściwościami elektrycznymi atmosfery oraz charakterem zaburzenia pochodzącego z Cumulonimbus.

Jak wysoko mogą sięgać ponad chmurami burzowymi?

Różnica pomiędzy wysokością wierzchołka Cumulonimbus a najwyższymi TLE może być ogromna. Silnie rozwinięta chmura burzowa osiąga zwykle górne partie troposfery, natomiast część zjawisk świetlnych pojawia się dopiero kilkadziesiąt kilometrów powyżej. Oznacza to, że pomiędzy źródłem zaburzenia a miejscem widocznej emisji może znajdować się bardzo rozległa przestrzeń. Wysokość samego Cumulonimbus zależy od warunków atmosferycznych oraz regionu świata. W umiarkowanych szerokościach geograficznych wierzchołki silnych burz mogą osiągać około 10–15 kilometrów, a w szczególnie sprzyjających warunkach jeszcze więcej. W strefie międzyzwrotnikowej, gdzie tropopauza znajduje się wyżej, potężne układy konwekcyjne mogą dochodzić do około 16–18 kilometrów, a najsilniejsze prądy wstępujące mogą chwilowo wypychać fragmenty wierzchołka ponad otaczające kowadło. Blue Jets zaczynają się stosunkowo blisko tej górnej części burzy i mogą docierać do około 40–50 kilometrów. Oznacza to, że ich najwyższe fragmenty znajdują się już kilkadziesiąt kilometrów ponad poziomem wierzchołka chmury. Sprity pojawiają się zdecydowanie wyżej. Rozbudowana struktura może obejmować obszar od około 40–50 do 80–90 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Jeżeli wierzchołek Cumulonimbus znajduje się przykładowo na wysokości kilkunastu kilometrów, pomiędzy nim a najwyższą częścią sprita może istnieć różnica wynosząca ponad 60 kilometrów. W przypadku czerwonych duszków szczególnie interesująca jest obecność przestrzeni pomiędzy burzą a właściwą strukturą świetlną. Sprite nie jest zwykle kanałem rozpoczynającym się bezpośrednio na wierzchołku Cumulonimbus. Może pojawić się wysoko ponad nim jako odpowiedź mezosfery na zmianę pola elektrycznego wywołaną przez odpowiednio silne wyładowanie. Gigantic Jets prezentują odmienną geometrię. Ich struktura może rozpocząć się w górnej części chmury, następnie przejść przez stratosferę i mezosferę oraz dotrzeć w okolice 80–90 kilometrów. Pod względem pionowego połączenia różnych obszarów atmosfery należą więc do najbardziej niezwykłych przedstawicieli całej rodziny. ELVES mogą występować w pobliżu 80–100 kilometrów, ale ich największy rozmiar rozwija się poziomo. W ciągu niezwykle krótkiego czasu świetlisty pierścień może rozszerzyć się na obszar o średnicy kilkuset kilometrów. Z perspektywy skali przestrzennej oznacza to strukturę wielokrotnie większą od pojedynczej komórki burzowej. Najwyższe TLE mogą zatem pojawiać się kilkadziesiąt kilometrów ponad wierzchołkami chmur, osiągając okolice dolnej jonosfery. Ich pionowy zasięg pokazuje, że wpływ aktywności elektrycznej burz nie kończy się wraz z troposferą. Proces rozpoczęty w Cumulonimbus może wywołać reakcję środowiska znajdującego się na wysokości, na której klasyczne zjawiska pogodowe już nie występują. Ogromna odległość pomiędzy burzą a niektórymi TLE stanowi jedną z najbardziej fascynujących cech tych zjawisk. Na dole znajduje się rozbudowany Cumulonimbus, w którym zachodzą gwałtowne ruchy powietrza, powstają opady i rozwijają się pioruny. Dziesiątki kilometrów wyżej atmosfera jest skrajnie rozrzedzona, a jej właściwości elektryczne zupełnie inne. Mimo tej różnicy oba środowiska mogą pozostawać ze sobą fizycznie powiązane poprzez pola elektryczne, impulsy elektromagnetyczne i wyładowania skierowane ku górze.

Gdzie i kiedy można obserwować zjawiska TLE?

Obserwacja zjawisk TLE jest znacznie trudniejsza niż śledzenie klasycznych wyładowań atmosferycznych. Nie wystarczy znaleźć się w pobliżu aktywnej burzy i skierować aparat w stronę chmur. W wielu przypadkach korzystniejsza jest sytuacja odwrotna: układ burzowy powinien znajdować się w dużej odległości od obserwatora, dzięki czemu możliwe staje się zobaczenie przestrzeni rozciągającej się wysoko ponad jego wierzchołkami. Kluczowe znaczenie ma odsłonięty horyzont, niewielkie zachmurzenie pomiędzy miejscem obserwacji a burzą, dobra przejrzystość powietrza oraz możliwie ciemne niebo. Światło miejskie, niskie chmury, zamglenie, pył i inne aerozole mogą skutecznie ograniczać widoczność słabych struktur występujących dziesiątki lub setki kilometrów dalej. Najlepsze warunki pojawiają się nocą, ponieważ kontrast pomiędzy ciemnym tłem nieba a krótkotrwałą emisją świetlną jest wtedy największy. Nie oznacza to, że procesy TLE nie mogą zachodzić za dnia. Ich rejestracja w świetle słonecznym jest jednak zdecydowanie trudniejsza ze względu na jasność tła oraz bardzo krótki czas trwania. Ważna jest również geometria obserwacji. Gdy Cumulonimbus znajduje się zbyt blisko, jego rozbudowane kowadło może zasłaniać przestrzeń, w której występują sprity lub inne wysoko położone formy. Z większej odległości wierzchołek burzy znajduje się niżej nad horyzontem, a ponad nim pozostaje szeroki fragment nieba umożliwiający rejestrowanie zjawisk rozwijających się w mezosferze. Profesjonalne badania wykorzystują znacznie bardziej zaawansowane metody niż zwykła obserwacja wizualna. Stosowane są czułe kamery, urządzenia rejestrujące bardzo dużą liczbę klatek na sekundę, fotometry oraz instrumenty mierzące pola i fale elektromagnetyczne. Szczególnie cenne są obserwacje prowadzone równocześnie z kilku miejsc, ponieważ umożliwiają dokładniejsze określenie wysokości oraz przestrzennej geometrii zarejestrowanej struktury.

Związek z rozległymi i silnymi burzami

Największe szanse na wystąpienie TLE wiążą się z burzami charakteryzującymi się znaczną aktywnością elektryczną. Szczególnie sprzyjające mogą być rozległe mezoskalowe układy konwekcyjne, które zajmują duży obszar, utrzymują się przez wiele godzin i zawierają rozbudowane strefy naładowania elektrycznego. Duża powierzchnia systemu ma istotne znaczenie dla niektórych rodzajów TLE. W dojrzałej części rozległego układu mogą występować rozległe obszary zachmurzenia warstwowego związane z pozostałościami po intensywnej konwekcji. W takich regionach możliwe jest gromadzenie znacznych ilości ładunku, a późniejsze silne wyładowania mogą powodować dużą zmianę momentu ładunku. Szczególne znaczenie dla powstawania spritów mają często silne dodatnie wyładowania chmura ziemia. Mogą one usuwać znaczną ilość dodatniego ładunku z rozległego obszaru układu burzowego, prowadząc do gwałtownej zmiany pola elektrycznego ponad chmurami. Jeżeli zaburzenie osiągnie odpowiednią wartość w mezosferze, mogą rozwinąć się charakterystyczne czerwone struktury. Nie oznacza to jednak, że każdy dodatni piorun będzie związany ze spritem. Sam znak wyładowania nie przesądza o wystąpieniu zjawiska. Znaczenie mają również ilość przemieszczonego ładunku, wysokość jego wcześniejszego położenia, czas trwania przepływu prądu oraz wynikająca z tych czynników zmiana momentu ładunku. Podobnie nie można przyjąć, że każda bardzo silna burza automatycznie wytworzy wszystkie rodzaje TLE. Poszczególne formy wymagają różnych warunków. Blue Jets i Gigantic Jets są silniej związane z konfiguracją elektryczną górnych części Cumulonimbus, natomiast ELVES zależą przede wszystkim od odpowiednio intensywnego impulsu elektromagnetycznego wygenerowanego przez piorun. Rozległe systemy konwekcyjne są szczególnie interesujące również dlatego, że mogą generować TLE wielokrotnie w czasie swojego istnienia. Nad jednym układem mogą pojawiać się kolejne sprity, niekiedy tworzące całe serie rozbłysków następujących po kolejnych wyładowaniach. Istotna jest również faza rozwoju burzy. Największa intensywność opadów czy najsilniejsze porywy wiatru przy powierzchni nie muszą występować dokładnie wtedy, gdy warunki elektryczne najbardziej sprzyjają powstawaniu określonych TLE. Struktura ładunku zmienia się podczas ewolucji układu, dlatego aktywność obserwowana wysoko ponad chmurami może mieć inną charakterystykę czasową niż najbardziej gwałtowne zjawiska występujące przy powierzchni. Dla obserwatora oznacza to, że samo znalezienie aktywnej burzy nie gwarantuje sukcesu. Najbardziej wartościowe są układy rozległe, długotrwałe i intensywnie zelektryzowane, szczególnie wtedy, gdy można obserwować je z dużej odległości przy dobrych warunkach optycznych.

Dlaczego obserwacja z powierzchni Ziemi jest trudna?

Podstawowym problemem jest niezwykle krótki czas trwania TLE. Ludzkie oko doskonale zauważa jasne i stosunkowo długie błyskawice, lecz znacznie słabiej radzi sobie z bardzo subtelnymi strukturami pojawiającymi się tylko przez kilka lub kilkadziesiąt milisekund. Obserwator może zobaczyć krótkie czerwone mignięcie, ale nie zdążyć rozpoznać jego rzeczywistego kształtu. Dodatkową trudność stanowi wysokość. Sprite może znajdować się kilkadziesiąt kilometrów ponad powierzchnią Ziemi, lecz burza będąca jego źródłem często znajduje się setki kilometrów od stanowiska obserwacyjnego. Światło musi więc przebyć długą drogę przez atmosferę, zanim dotrze do aparatu lub oka. Na tej drodze część promieniowania jest rozpraszana i osłabiana. Duża zawartość pary wodnej, zamglenie, pył oraz inne aerozole pogarszają przejrzystość, szczególnie nisko nad horyzontem. Z tego powodu noc, która pozornie wydaje się bezchmurna, nie zawsze zapewnia dobre warunki do fotografowania odległych TLE. Poważnym ograniczeniem jest również zachmurzenie. Wystarczy warstwa niskich lub średnich chmur znajdująca się pomiędzy obserwatorem a odległym układem burzowym, aby całkowicie zasłonić interesujący obszar nieba. Problem może powodować nawet kowadło samego Cumulonimbus, jeśli burza znajduje się zbyt blisko. Niekorzystne jest także zanieczyszczenie światłem. Łuna nad dużymi miastami rozjaśnia niebo i zmniejsza kontrast słabych emisji. Szczególnie trudne stają się obserwacje struktur o niewielkiej jasności powierzchniowej. Dlatego ciemne stanowisko poza obszarem intensywnego oświetlenia może znacząco zwiększyć szanse rejestracji. Kolejną przeszkodą jest nieprzewidywalność miejsca i czasu pojawienia się rozbłysku. Nawet jeśli obserwator skieruje aparat ponad właściwą burzę, nie wiadomo dokładnie, w którym momencie dojdzie do odpowiednio silnego wyładowania. Konieczne staje się długotrwałe rejestrowanie dużego fragmentu nieba i późniejsza analiza materiału. Znaczenie ma także dobór sprzętu. Aparat używany do zwykłego fotografowania błyskawic nie zawsze będzie optymalny dla bardzo słabych i krótkich TLE. Potrzebna jest odpowiednia czułość, jasny obiektyw, właściwe pole widzenia oraz parametry ekspozycji pozwalające zarejestrować delikatne światło bez nadmiernego rozjaśnienia tła. W przypadku badań naukowych zwykłe zdjęcie jest często niewystarczające. Aby poznać rzeczywistą dynamikę zjawiska, wykorzystuje się szybkie kamery pozwalające rozdzielić pojedynczy rozbłysk na kolejne fazy. Dzięki temu można zobaczyć kierunek propagacji streamerów, moment powstania poszczególnych fragmentów oraz zmiany jasności zachodzące w ciągu kilku milisekund. Obserwacja z powierzchni Ziemi pozostaje jednak niezwykle wartościowa. Rozbudowane sieci kamer mogą monitorować duże obszary, a zestawienie nagrań z danymi dotyczącymi wyładowań pozwala określić, który piorun był związany z konkretnym TLE. Szczególnie cenne są jednoczesne rejestracje z kilku oddalonych stanowisk.

Obserwacje z samolotów, wysokich gór i przestrzeni kosmicznej

Jednym ze sposobów ograniczenia problemów występujących przy powierzchni Ziemi jest przeniesienie stanowiska obserwacyjnego na większą wysokość. Im wyżej znajduje się instrument, tym mniejsza część gęstej dolnej atmosfery oddziela go od obserwowanego zjawiska. Zmniejsza się wpływ części aerozoli, zamglenia oraz lokalnych przeszkód terenowych. Wysokie góry oferują szczególnie korzystne warunki. Rozległy horyzont pozwala obserwować burze znajdujące się bardzo daleko, a ograniczone zanieczyszczenie światłem poprawia kontrast nocnego nieba. Jeżeli poniżej stanowiska znajduje się część warstwy aerozoli i wilgoci, przejrzystość może być zdecydowanie lepsza niż na nizinach. Jeszcze większe możliwości zapewniają samoloty badawcze. Mogą poruszać się na dużych wysokościach i zajmować pozycję umożliwiającą obserwację konkretnego systemu burzowego z odpowiedniej strony. Dzięki temu możliwe jest śledzenie obszaru ponad Cumulonimbus bez części przeszkód występujących przy obserwacji naziemnej. Platformy lotnicze pozwalają również zabierać zestawy instrumentów wykonujących różne pomiary jednocześnie. Kamery optyczne mogą rejestrować światło, urządzenia spektroskopowe analizować jego skład, a czujniki elektromagnetyczne mierzyć sygnały związane z wyładowaniami. Połączenie tych informacji umożliwia znacznie dokładniejsze odtworzenie przebiegu całego zdarzenia. Wyjątkową perspektywę zapewniają obserwacje prowadzone z przestrzeni kosmicznej. Instrument znajdujący się na orbicie patrzy na górne partie atmosfery z zupełnie innego kierunku niż obserwator stojący na powierzchni Ziemi. Może monitorować rozległe obszary występowania burz oraz rejestrować TLE bez konieczności spoglądania przez całą dolną część atmosfery. Szczególnie wartościowe są obserwacje z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i innych platform orbitalnych wyposażonych w instrumenty przeznaczone do badania zjawisk elektrycznych. Pozwalają one jednocześnie analizować aktywność burzową oraz emisje występujące ponad nią, dzięki czemu można dokładniej określać zależności pomiędzy piorunami a poszczególnymi rodzajami TLE. Perspektywa kosmiczna umożliwia również badanie obszarów, w których prowadzenie stałych obserwacji naziemnych jest trudne lub niemożliwe, między innymi nad oceanami. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ potężne systemy konwekcyjne rozwijają się nie tylko nad lądami. Największą wartość przynosi jednak łączenie różnych metod. Rejestracja tego samego zdarzenia z powierzchni Ziemi, samolotu lub orbity może zostać zestawiona z pomiarami sieci wykrywających pioruny, danymi satelitarnymi oraz informacjami o strukturze burzy. Pozwala to określić czas wystąpienia zjawiska, jego wysokość, rozmiary, relację z wyładowaniem inicjującym oraz przebieg zmian zachodzących w kolejnych milisekundach. Dzięki takim obserwacjom TLE przestały być jedynie tajemniczymi błyskami widywanymi sporadycznie ponad odległymi burzami. Stały się zjawiskami możliwymi do szczegółowego badania, mierzenia i porównywania. Każda perspektywa dostarcza innego rodzaju informacji, a ich połączenie pozwala coraz dokładniej poznawać elektryczne powiązania pomiędzy burzową troposferą a znacznie wyższymi obszarami ziemskiej atmosfery.

Dlaczego zjawiska TLE są ważne dla nauki?

Zjawiska TLE mają duże znaczenie badawcze, ponieważ pokazują, że aktywność elektryczna burz nie ogranicza się do troposfery. Gwałtowne procesy zachodzące wewnątrz Cumulonimbus mogą wpływać na środowisko znajdujące się dziesiątki kilometrów wyżej, obejmując mezosferę oraz dolne obszary jonosfery. Dzięki obserwacji tych krótkotrwałych emisji możliwe jest poznawanie zależności pomiędzy warstwami atmosfery, które przez wiele lat analizowano przede wszystkim jako oddzielne środowiska. Szczególnie interesujące jest przekazywanie energii związanej z wyładowaniami. Piorun może gwałtownie zmienić pole elektryczne ponad burzą albo wygenerować silny impuls elektromagnetyczny. Reakcją rozrzedzonego gazu mogą być procesy jonizacji, wzbudzenia cząsteczek, rozwój streamerów oraz emisja promieniowania. Analiza takich zdarzeń pozwala badać zachowanie atmosfery w warunkach, których nie można łatwo odtworzyć w pełnej skali w laboratorium. TLE dostarczają również informacji o środowisku, w którym powstają. Kształt, wysokość, barwa, jasność i dynamika rozwoju poszczególnych struktur zależą od właściwości otaczającego gazu oraz występujących tam pól elektrycznych. Dokładna rejestracja rozbłysku może więc pomóc w odtworzeniu procesów zachodzących wysoko ponad powierzchnią Ziemi. Znaczenie tych badań wykracza poza samo poznawanie efektownych zjawisk świetlnych. TLE stanowią część większego systemu obejmującego burze, elektryczność atmosferyczną, fale elektromagnetyczne, mezosferę i jonosferę. Ich analiza pomaga lepiej zrozumieć, w jaki sposób poszczególne elementy tego systemu oddziałują na siebie w bardzo krótkich skalach czasowych.

Wpływ burz na górne warstwy atmosfery

Przez długi czas burze kojarzono przede wszystkim z procesami zachodzącymi w troposferze. To tutaj rozwijają się Cumulonimbus, powstają intensywne opady, grad, silne porywy wiatru oraz klasyczne wyładowania atmosferyczne. Odkrycie i szczegółowe udokumentowanie TLE pokazało jednak, że elektryczne oddziaływanie układów konwekcyjnych może sięgać znacznie wyżej. Silne wyładowanie powoduje bardzo szybką zmianę rozmieszczenia ładunków w chmurze. Powstałe zaburzenie pola elektrycznego nie kończy się na wysokości jej wierzchołka, lecz obejmuje przestrzeń znajdującą się powyżej. W odpowiednich warunkach jego wpływ może dotrzeć do mezosfery i doprowadzić do rozwoju spritów. Inny mechanizm związany jest z impulsem elektromagnetycznym generowanym przez gwałtowny prąd piorunowy. Taki impuls rozchodzi się bardzo szybko i może oddziaływać na dolną jonosferę. Jeżeli jest wystarczająco silny, przyspiesza znajdujące się tam elektrony, które następnie przekazują energię cząsteczkom atmosferycznym. Jednym z widzialnych rezultatów może być powstanie ELVES. Wpływ burzy może więc występować w miejscach oddalonych od niej o kilkadziesiąt kilometrów w pionie. Nie oznacza to, że chmura fizycznie rozciąga się na taką wysokość. Łącznikiem pomiędzy troposferą a wyższymi obszarami są procesy elektryczne oraz elektromagnetyczne. TLE pozwalają badać skalę i dynamikę tego oddziaływania. Jeżeli znany jest dokładny czas oraz charakter pioruna, a jednocześnie zarejestrowano występujący po nim Sprite lub ELVES, można porównać oba zdarzenia. Pozwala to określić, jakie właściwości wyładowania sprzyjały reakcji wysoko położonego środowiska. Szczegółowe nagrania umożliwiają również śledzenie rozwoju samej struktury. W przypadku spritów można analizować kierunek propagacji streamerów, szybkość ich przemieszczania, rozgałęzianie oraz zmiany jasności. Informacje te pomagają określić, jak rozrzedzony gaz reaguje na krótkotrwałe, ale silne pole elektryczne. Badanie TLE zmieniło więc sposób postrzegania burzy. Cumulonimbus nie jest wyłącznie lokalnym układem pogodowym oddziałującym na najbliższe otoczenie. Jego aktywność elektryczna może stać się źródłem zaburzeń obejmujących znacznie większą część pionowej struktury atmosfery.

Wymiana energii między różnymi warstwami atmosfery

Atmosfera Ziemi tworzy jeden połączony system, mimo że dla wygody dzieli się ją na troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę oraz inne wyróżniane obszary. Granice pomiędzy nimi pomagają opisywać zmiany temperatury i właściwości fizycznych, ale nie stanowią barier uniemożliwiających przekazywanie energii. Burze są jednym ze źródeł takiego oddziaływania. Energia zgromadzona w elektrycznej strukturze Cumulonimbus może zostać częściowo przekazana wyżej podczas gwałtownego wyładowania. Nie chodzi przy tym o unoszenie całej masy powietrza z chmury aż do mezosfery. Znaczenie mają pola elektryczne, prądy oraz fale elektromagnetyczne. Przykładem jest reakcja mezosfery na dużą zmianę momentu ładunku podczas silnego pioruna. Zaburzenie pola może doprowadzić do przyspieszenia elektronów oraz powstania streamerów. Energia elektryczna zostaje wówczas częściowo wykorzystana do jonizacji i wzbudzenia cząsteczek. Część energii jest następnie wypromieniowywana jako światło. Właśnie tę niewielką widzialną część całego procesu rejestrujemy w postaci charakterystycznej czerwonej struktury sprita. Pozostała część uczestniczy w innych procesach fizycznych i chemicznych zachodzących w gazie. W przypadku ELVES przekazywanie energii ma inny przebieg. Impuls elektromagnetyczny dociera do dolnej jonosfery i oddziałuje z obecnymi tam elektronami. Powstaje rozległy obszar wzbudzonych cząsteczek, który na bardzo krótki czas zaczyna emitować światło. Szczególnym przypadkiem są Gigantic Jets. Ich rozwój może utworzyć elektryczne połączenie pomiędzy górną częścią chmury burzowej a dolną jonosferą. Z tego względu są wyjątkowo interesujące w badaniach przepływu ładunku pomiędzy obszarami znajdującymi się na bardzo różnych wysokościach. Znaczenie naukowe ma również wpływ TLE na lokalny stopień jonizacji. Gdy energetyczne elektrony zderzają się z cząsteczkami gazów, mogą tworzyć nowe jony i swobodne elektrony. Zmiana ta jest krótkotrwała, lecz pozwala badać odpowiedź górnej atmosfery na nagłe dostarczenie energii. Towarzyszące temu reakcje mogą wpływać także na lokalny skład chemiczny. Energetyczne zderzenia prowadzą do powstawania reaktywnych form różnych składników atmosfery, co sprawia, że TLE są interesujące nie tylko z punktu widzenia fizyki wyładowań, ale również chemii wysokich warstw atmosfery. Badania tego rodzaju pozwalają lepiej określić, w jaki sposób energia generowana przez zjawiska zachodzące stosunkowo blisko powierzchni Ziemi może oddziaływać na środowisko położone dziesiątki kilometrów wyżej. TLE są jednym z najbardziej widocznych dowodów istnienia takiego połączenia.

Znaczenie dla badań jonosfery i środowiska elektromagnetycznego Ziemi

Jonosfera jest obszarem górnej atmosfery zawierającym znaczną liczbę jonów i swobodnych elektronów powstających głównie wskutek oddziaływania promieniowania słonecznego. Jej właściwości zmieniają się wraz z wysokością, porą dnia, aktywnością Słońca, szerokością geograficzną oraz wieloma innymi czynnikami. Burze stanowią dodatkowe źródło krótkotrwałych zaburzeń docierających od dołu. Dzięki TLE można badać, jak środowisko jonosferyczne reaguje na impulsy pochodzące z troposfery. Szczególnie wartościowe są tutaj obserwacje ELVES, ponieważ ich powstawanie jest bezpośrednio związane z oddziaływaniem silnego impulsu elektromagnetycznego z dolną jonosferą. Rozmiar, jasność i czas rozwoju takiej emisji mogą dostarczać informacji o właściwościach obszaru, w którym nastąpiło wzbudzenie. Rejestracja optyczna zestawiona z pomiarami elektromagnetycznymi pozwala dokładniej określać przebieg całego procesu. Pioruny generują fale elektromagnetyczne obejmujące szeroki zakres częstotliwości. Część z nich może propagować na bardzo duże odległości w przestrzeni pomiędzy powierzchnią Ziemi a jonosferą. Analiza takich sygnałów dostarcza informacji zarówno o samym wyładowaniu, jak i o środowisku, przez które fala się przemieszcza. Połączenie danych optycznych i elektromagnetycznych ma szczególną wartość. Kamera pokazuje, gdzie i kiedy wystąpił rozbłysk, natomiast czujniki pól oraz fal pozwalają scharakteryzować zaburzenie, które mu towarzyszyło. Sieci lokalizujące pioruny umożliwiają dodatkowo wskazanie wyładowania macierzystego. Dzięki temu pojedynczy Sprite czy ELVES może zostać przeanalizowany jako część większego ciągu zdarzeń. Można ustalić miejsce wystąpienia burzy, rodzaj i parametry pioruna, moment pojawienia się TLE, wysokość emisji oraz właściwości sygnału elektromagnetycznego. Takie zestawienie danych pomaga również rozwijać modele opisujące sprzężenie pomiędzy troposferą a jonosferą. Model fizyczny powinien nie tylko wyjaśniać sam wygląd zjawiska, ale również prawidłowo odwzorowywać czas jego powstania, wysokość, rozmiar, dynamikę oraz zależność od wyładowania inicjującego. Badania TLE są istotne również dla poznawania globalnego obwodu elektrycznego Ziemi. Burze i zelektryzowane chmury stanowią ważne elementy tego systemu, ponieważ uczestniczą w przepływie ładunku pomiędzy powierzchnią planety a atmosferą. Wyładowania skierowane ku górze pokazują, że część tych procesów może obejmować znacznie większy zakres wysokości niż klasyczne pioruny chmura ziemia. Współczesne obserwacje prowadzone z powierzchni, samolotów oraz platform orbitalnych umożliwiają jednoczesne badanie wielu elementów tego układu. Coraz dokładniejsze instrumenty rejestrują zdarzenia, które jeszcze kilka dekad temu trwały zbyt krótko i były zbyt słabe, aby można było szczegółowo prześledzić ich ewolucję. Znaczenie TLE dla nauki wynika więc nie tylko z ich niezwykłego wyglądu. Są naturalnym narzędziem pozwalającym badać elektryczne i elektromagnetyczne powiązania pomiędzy burzową troposferą, mezosferą oraz jonosferą. Dzięki nim można obserwować, jak energia jednego z najbardziej gwałtownych procesów pogodowych wpływa na środowisko znajdujące się dziesiątki kilometrów ponad miejscem, w którym rozwinęła się burza.

Czy zjawiska TLE są niebezpieczne?

Zjawiska TLE mogą wyglądać niezwykle spektakularnie, szczególnie gdy rozbudowany Sprite zajmuje kilkadziesiąt kilometrów przestrzeni ponad burzą albo Gigantic Jet rozwija się od wierzchołka Cumulonimbus w kierunku górnych warstw atmosfery. Ich ogromne rozmiary nie oznaczają jednak, że stanowią bezpośrednie zagrożenie dla człowieka znajdującego się na powierzchni Ziemi. Decydujące znaczenie ma wysokość występowania. Większość TLE rozwija się daleko ponad obszarem, w którym przebywają ludzie i funkcjonuje infrastruktura naziemna. Sprity pojawiają się przede wszystkim w mezosferze, ELVES jeszcze wyżej, natomiast Blue Jets i Gigantic Jets kierują się od górnych partii burzy ku stratosferze, mezosferze oraz dolnej jonosferze. Nie oznacza to jednak, że TLE należy całkowicie oddzielać od kwestii bezpieczeństwa. Ich pojawienie się świadczy o aktywności elektrycznej burzy zdolnej do generowania bardzo silnych wyładowań. Dla osoby przebywającej na powierzchni realnym zagrożeniem nie jest wysoko położony rozbłysk, lecz układ burzowy będący źródłem całego procesu. Taka burza może przynosić liczne pioruny, intensywne opady, grad, gwałtowne porywy wiatru oraz inne niebezpieczne zjawiska. Obserwacja TLE nie powinna więc prowadzić do wniosku, że skoro właściwa struktura świetlna znajduje się dziesiątki kilometrów nad Ziemią, sytuacja w niższych warstwach atmosfery jest bezpieczna.

Dlaczego nie stanowią bezpośredniego zagrożenia dla ludzi na powierzchni Ziemi?

Najważniejszą przyczyną jest ogromna odległość oddzielająca większość TLE od powierzchni. Sprite może rozwijać się na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, czyli znacznie powyżej maksymalnego zasięgu chmur burzowych. ELVES pojawiają się jeszcze wyżej, w pobliżu dolnej jonosfery, gdzie warunki fizyczne zupełnie różnią się od panujących w troposferze. Świetliste struktury obserwowane w mezosferze nie są odpowiednikiem klasycznego pioruna uderzającego z chmury w powierzchnię. Sprite nie tworzy kanału elektrycznego schodzącego z wysokości kilkudziesięciu kilometrów aż do gruntu. Jego rozwój zachodzi w rozrzedzonym gazie, gdzie pole elektryczne uruchamia procesy jonizacyjne oraz wzbudzenie cząsteczek. Podobna sytuacja występuje w przypadku ELVES. Widoczny pierścień nie jest rozległym wyładowaniem przemieszczającym się w kierunku powierzchni. Stanowi krótkotrwałą emisję powstającą wskutek oddziaływania impulsu elektromagnetycznego pochodzącego od pioruna z elektronami znajdującymi się wysoko w atmosferze. Blue Jets oraz Gigantic Jets różnią się od tych form, ponieważ rozpoczynają się w górnych partiach Cumulonimbus i rozwijają ku górze. Kierunek ich propagacji prowadzi jednak od chmury w stronę wyższych poziomów, a nie ku powierzchni Ziemi. Z punktu widzenia osoby znajdującej się na gruncie bezpośrednim niebezpieczeństwem pozostają zwykłe wyładowania związane z tą samą burzą. Ogromne rozmiary TLE mogą sprawiać wrażenie szczególnie groźnych. W przypadku takich zjawisk wielkość przestrzenna nie może być jednak utożsamiana z ryzykiem dla człowieka. Rozrzedzone środowisko wysokiej atmosfery pozwala procesom elektrycznym rozwijać struktury osiągające wiele kilometrów długości, mimo ich niezwykle krótkiego czasu istnienia. Nie należy również interpretować widocznego światła jako energii skierowanej bezpośrednio w stronę obserwatora. Fotony docierające do powierzchni umożliwiają zobaczenie lub sfotografowanie zjawiska, lecz sama obserwacja nie powoduje zagrożenia. Pod tym względem odległy Sprite jest bardziej sygnałem występowania interesującego procesu fizycznego wysoko nad burzą niż niebezpieczeństwem związanym z jego świetlistą strukturą. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej w odniesieniu do Cumulonimbus znajdującego się poniżej. Jeżeli burza jest dostatecznie blisko obserwatora, należy kierować się zasadami bezpieczeństwa dotyczącymi wyładowań atmosferycznych niezależnie od tego, czy ponad nią występują TLE. Najbezpieczniejsze obserwacje prowadzi się z dużej odległości od aktywnego układu. Ma to dodatkową zaletę, ponieważ zwiększa szansę zobaczenia przestrzeni ponad wierzchołkami chmur. Próba znalezienia się bezpośrednio pod burzą nie tylko zwiększa ryzyko związane z piorunami, ale również pogarsza geometrię obserwacji wysoko położonych struktur.

TLE jako oznaka bardzo silnej aktywności elektrycznej burz

Chociaż TLE same w sobie nie stanowią typowego zagrożenia dla osób znajdujących się przy powierzchni, ich występowanie jest cenną informacją o elektrycznej aktywności układu burzowego. Powstanie wielu z nich wymaga wyładowania albo konfiguracji pola elektrycznego posiadających odpowiednio duże parametry. Szczególnie dobrze widać tę zależność w przypadku spritów. Często są one związane z silnymi dodatnimi wyładowaniami chmura ziemia, które powodują znaczące przemieszczenie ładunku. Jeżeli zmiana momentu ładunku jest wystarczająco duża, pole elektryczne w mezosferze może osiągnąć warunki umożliwiające rozwój streamerów tworzących czerwonego duszka. Pojawienie się sprita wskazuje więc, że w znajdującym się poniżej systemie konwekcyjnym zaszło zdarzenie elektryczne zdolne do wywołania reakcji dziesiątki kilometrów wyżej. Jest to szczególnie interesujące w przypadku rozległych mezoskalowych układów konwekcyjnych, w których strefy ładunku mogą zajmować bardzo duży obszar. ELVES również mogą świadczyć o wystąpieniu wyjątkowo intensywnego zdarzenia elektrycznego. Do powstania rozległego pierścienia w dolnej jonosferze potrzebny jest odpowiednio silny impuls elektromagnetyczny związany z gwałtownym prądem piorunowym. W tym przypadku informację o właściwościach wyładowania zawiera nie tylko sam fakt pojawienia się zjawiska, ale również jego jasność, rozmiary oraz dynamika. Blue Jets i Gigantic Jets dostarczają natomiast informacji o procesach elektrycznych zachodzących w górnych partiach Cumulonimbus. Szczególnie Gigantic Jet pokazuje możliwość rozwinięcia bardzo rozległego wyładowania skierowanego od chmury ku dolnej jonosferze. Trzeba jednak zachować istotne rozróżnienie. Wystąpienie TLE nie jest prostą miarą siły burzy rozumianej jako zagrożenie przy powierzchni. Nie można na podstawie obserwacji czerwonego duszka automatycznie stwierdzić, że w danym miejscu występuje ekstremalny wiatr, ogromny grad czy wyjątkowo intensywny deszcz. Są to różne aspekty funkcjonowania układu konwekcyjnego. TLE informują przede wszystkim o jego aktywności elektrycznej i szczególnych procesach zachodzących pomiędzy burzą a wyższymi poziomami atmosfery. Dwa systemy o podobnej intensywności opadów mogą różnić się strukturą elektryczną, dlatego liczba występujących ponad nimi zjawisk świetlnych również może być odmienna. Z tego powodu nie wykorzystuje się TLE jako prostego wskaźnika określającego stopień zagrożenia pogodowego na powierzchni Ziemi. Stanowią natomiast niezwykle wartościowe źródło informacji o tym, jak daleko może sięgać elektryczne oddziaływanie silnych burz. Obserwacja czerwonego rozbłysku wysoko ponad horyzontem pokazuje więc znacznie więcej niż tylko efektowne zjawisko optyczne. Jest widzialnym śladem procesu rozpoczętego w aktywnym Cumulonimbus, którego konsekwencje objęły mezosferę lub dolną jonosferę. W tym sensie TLE można traktować jako wyjątkowe świadectwo ogromnej skali elektrycznych procesów zachodzących podczas burz.

Najważniejsze cechy zjawisk TLE

Zjawiska TLE wyróżniają się zestawem cech, które wyraźnie odróżniają je od klasycznych wyładowań obserwowanych wewnątrz chmur burzowych lub pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi. Najważniejsze różnice dotyczą przede wszystkim czasu trwania, wysokości występowania, rozmiarów oraz niezwykłej różnorodności form. Jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości jest połączenie ogromnej skali przestrzennej z niezwykle szybkim przebiegiem. Niektóre struktury mogą rozciągać się na dziesiątki kilometrów, a w przypadku ELVES obejmować obszar o średnicy kilkuset kilometrów, mimo że widzialna emisja istnieje zaledwie przez ułamek sekundy. TLE nie mają również jednego charakterystycznego wyglądu. Mogą przypominać rozgałęzione korzenie, kolumny, meduzy, stożkowate strumienie albo olbrzymie pierścienie. Barwa zmienia się zależnie od rodzaju procesu, wysokości i dominujących mechanizmów emisji światła. Wszystkie te właściwości sprawiają, że rodzina krótkotrwałych zjawisk świetlnych jest niezwykle zróżnicowana.

Bardzo krótki czas trwania

Jedną z podstawowych cech TLE jest wyjątkowo krótki czas istnienia. Większość tych zjawisk rozwija się w skalach liczonych w milisekundach, dlatego dla ludzkiego oka może wyglądać jedynie jak delikatne, momentalne mignięcie wysoko ponad odległą burzą. Krótki czas trwania wynika bezpośrednio z fizycznego mechanizmu powstawania. Silne wyładowanie zmienia układ pola elektrycznego lub generuje impuls elektromagnetyczny, lecz warunki umożliwiające intensywne przyspieszanie elektronów nie trwają długo. Atmosfera bardzo szybko reaguje na zaburzenie, a powstałe ładunki zaczynają zmieniać lokalne właściwości elektryczne środowiska. Gdy wartość pola spada, maleje liczba elektronów uzyskujących energię wystarczającą do dalszego wzbudzania i jonizowania cząsteczek gazów. Emisja zaczyna zanikać, a widzialna struktura znika niemal równie szybko, jak się pojawiła. Poszczególne rodzaje TLE różnią się jednak czasem trwania. ELVES należą do najbardziej krótkotrwałych. Rozległa emisja może powstać i zaniknąć w czasie krótszym niż jedna milisekunda. Sprity często trwają kilka lub kilkadziesiąt milisekund, choć ich dokładny przebieg zależy od konkretnego przypadku. Blue Jets oraz Gigantic Jets mogą rozwijać się dłużej, ponieważ ich mechanizm obejmuje propagację wyładowania skierowanego ku górze. Niezwykła szybkość sprawia, że zwykła obserwacja wzrokowa nie pokazuje pełnej dynamiki procesu. Dopiero szybkie kamery umożliwiły rozdzielenie pojedynczego rozbłysku na kolejne fazy. Dzięki takim nagraniom można zobaczyć, że struktura pozornie pojawiająca się jednocześnie w rzeczywistości przechodzi bardzo złożoną ewolucję. W przypadku spritów widoczne staje się powstawanie i propagowanie streamerów. Cienkie kanały rozwijają się, rozgałęziają oraz tworzą skomplikowaną sieć. Cały proces zachodzi jednak tak szybko, że bez specjalistycznego sprzętu poszczególne etapy zlewają się w pojedynczy czerwony błysk. Krótki czas trwania jest również jedną z przyczyn, dla których przez wiele lat TLE pozostawały słabo poznane. Nawet osoba, która przypadkowo dostrzegła rozbłysk ponad burzą, mogła mieć trudność z dokładnym opisaniem jego kształtu, wielkości czy barwy.

Występowanie wysoko ponad burzami

Drugą charakterystyczną właściwością TLE jest ich położenie ponad obszarem klasycznych zjawisk burzowych. Chmury Cumulonimbus rozwijają się w troposferze, natomiast część związanych z nimi emisji pojawia się dopiero w stratosferze, mezosferze lub w pobliżu dolnej jonosfery. Różnica wysokości może być ogromna. Wierzchołek silnego Cumulonimbus osiąga zwykle poziom tropopauzy, podczas gdy górne fragmenty rozbudowanego sprita mogą znajdować się w pobliżu 80–90 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Oznacza to, że pomiędzy chmurą a najwyższą częścią widzialnej struktury może występować przestrzeń licząca wiele dziesiątek kilometrów. Nie wszystkie formy znajdują się jednak równie daleko od źródłowej burzy. Blue Jets rozpoczynają rozwój bezpośrednio nad górnymi partiami Cumulonimbus i kierują się ku stratosferze. Gigantic Jets mogą pokonywać znacznie większy zakres wysokości, docierając w okolice dolnej jonosfery. Sprity pojawiają się przede wszystkim w mezosferze. Ich związek z burzą nie polega na utworzeniu ciągłego kanału biegnącego od wierzchołka chmury do czerwonej struktury. Powstają jako odpowiedź wysoko położonego, rozrzedzonego środowiska na odpowiednio dużą zmianę pola elektrycznego wywołaną przez wyładowanie. ELVES występują jeszcze inaczej. Ich obecność związana jest z reakcją dolnej jonosfery na impuls elektromagnetyczny wygenerowany przez piorun. Widzialny efekt może zatem znajdować się bardzo daleko ponad miejscem, w którym rozpoczął się cały proces. Wysokość ma zasadnicze znaczenie dla wyglądu TLE. Gęstość gazu szybko maleje wraz z oddalaniem się od powierzchni Ziemi, a jednocześnie zmieniają się warunki propagacji wyładowań i zachowanie elektronów. Dzięki temu w mezosferze mogą rozwijać się struktury znacznie większe od kanałów typowych błyskawic. Położenie wysoko ponad Cumulonimbus tłumaczy również, dlaczego najlepszym miejscem do obserwacji spritów nie jest bezpośrednie sąsiedztwo burzy. Z dużej odległości można zobaczyć nie tylko sam układ konwekcyjny, lecz również szeroki obszar nieba znajdujący się nad nim.

Ogromny zasięg przestrzenny niektórych zjawisk

TLE mogą osiągać rozmiary trudne do porównania z klasyczną błyskawicą widzianą z powierzchni Ziemi. Ich skala jest jednym z najbardziej imponujących elementów całej rodziny. Rozbudowany Sprite może zajmować przestrzeń o wysokości kilkudziesięciu kilometrów. Nie musi przy tym tworzyć pojedynczej, zwartej struktury. Często składa się z licznych włókien, kolumn, rozgałęzień oraz obszarów rozproszonego światła. Niekiedy jednocześnie powstaje cały zespół czerwonych duszków obejmujący szeroki fragment nieba ponad układem burzowym. Gigantic Jets wyróżniają się przede wszystkim skalą pionową. Rozpoczynając się w pobliżu górnych partii Cumulonimbus, mogą rozciągnąć się przez stratosferę i mezosferę w kierunku dolnej jonosfery. Oznacza to pokonanie przestrzeni wielokrotnie większej niż pionowa rozciągłość samej chmury. Jeszcze bardziej niezwykłe pod względem zasięgu są ELVES. Ich struktura rozwija się głównie poziomo. Krótkotrwała emisja może utworzyć pierścień osiągający średnicę kilkuset kilometrów. Tak ogromny obszar zostaje objęty zjawiskiem w czasie liczonym w ułamkach milisekundy. Skala ELVES wynika z charakteru mechanizmu odpowiedzialnego za ich powstawanie. Impuls elektromagnetyczny dociera do dolnej jonosfery i oddziałuje z jej środowiskiem na dużej powierzchni. Rozszerzający się pierścień nie oznacza więc przemieszczania pojedynczego kanału elektrycznego przez setki kilometrów. Duże rozmiary TLE wynikają także z niewielkiej gęstości powietrza na wysokościach, na których zachodzą. Procesy elektryczne rozwijające się w rozrzedzonym gazie mają inną skalę przestrzenną niż podobne zjawiska występujące przy znacznie większym ciśnieniu. Ogromny zasięg nie powinien być jednak utożsamiany z długim czasem istnienia. Paradoksalnie największe struktury mogą należeć do najbardziej krótkotrwałych. ELVES stanowią najlepszy przykład połączenia setek kilometrów średnicy z czasem trwania krótszym niż mrugnięcie oka.

Różnorodność kształtów i barw

TLE nie posiadają jednego charakterystycznego kształtu ani koloru. Wygląd zależy od rodzaju procesu, kierunku rozwoju wyładowania, wysokości, gęstości gazu oraz sposobu wzbudzania cząsteczek atmosferycznych. Najbardziej charakterystyczne pod względem budowy są sprity. Mogą tworzyć proste kolumny, rozbudowane struktury przypominające marchewkę albo efektowne formy kojarzone z meduzą. W ostatnim przypadku górna część jest szeroka i rozproszona, natomiast poniżej rozwijają się liczne cienkie włókna przypominające zwisające macki. Niekiedy kilka spritów pojawia się jednocześnie lub w bardzo krótkich odstępach, tworząc rozległą grupę ponad burzą. Poszczególne elementy mogą różnić się długością, jasnością i stopniem rozgałęzienia, dlatego dwa zdarzenia związane z tym samym układem konwekcyjnym nie muszą wyglądać identycznie. Blue Jets mają znacznie bardziej uporządkowaną geometrię. Rozwijają się od górnych partii chmury w kierunku coraz większych wysokości, często przypominając wąski stożek lub strumień rozszerzający się ku górze. Ich charakterystyczne niebieskawe i fioletowe zabarwienie wyraźnie odróżnia je od czerwonych spritów. Gigantic Jets mogą mieć bardziej złożoną budowę. Dolna część związana z obszarem ponad Cumulonimbus bywa stosunkowo wąska, natomiast wraz z rozwojem ku górze struktura może się rozszerzać i rozgałęziać. Całość tworzy ogromną formę rozciągającą się pomiędzy burzą a wysoko położonym środowiskiem atmosferycznym. ELVES wyglądają zupełnie inaczej. Zamiast pionowych włókien lub strumieni powstaje rozległy, szybko rozszerzający się pierścień albo dysk świetlny. Jego geometria jest bezpośrednią konsekwencją sposobu, w jaki impuls elektromagnetyczny oddziałuje z dolną jonosferą. Barwa niesie również informację o procesach zachodzących podczas emisji. Czerwone światło spritów jest związane przede wszystkim z określonymi przejściami energetycznymi wzbudzonych cząsteczek azotu. W niższych częściach struktury mogą pojawiać się bardziej niebieskawe lub fioletowe fragmenty wynikające z innych warunków fizycznych i mechanizmów emisji. Niebieskie zabarwienie Blue Jets wiąże się z odmiennymi przejściami energetycznymi zachodzącymi w azocie i jego zjonizowanych formach. Wpływ na obserwowaną barwę ma również wysokość, ponieważ wraz z nią zmienia się gęstość gazu i częstość zderzeń pomiędzy cząsteczkami. Rzeczywisty kolor może ponadto wyglądać inaczej na nagraniu niż podczas obserwacji wzrokowej. Czułość matrycy aparatu, zastosowany obiektyw, ustawienia ekspozycji oraz warunki atmosferyczne wpływają na zarejestrowany obraz. Przy bardzo słabym rozbłysku ludzkie oko może również nie rozpoznawać barwy tak dobrze jak odpowiednio dobrany sprzęt fotograficzny. Różnorodność kształtów i kolorów nie jest zatem wyłącznie efektowną cechą wizualną. Stanowi odzwierciedlenie różnych mechanizmów fizycznych działających ponad burzami. Wygląd TLE może dostarczać informacji o sposobie rozwoju wyładowania, wysokości emisji oraz warunkach panujących w otaczającej atmosferze.

Ciekawostki o zjawiskach TLE

Historia poznawania zjawisk TLE jest szczególna, ponieważ przez długi czas znajdowały się one na granicy pomiędzy sporadycznymi relacjami obserwatorów a zjawiskami możliwymi do wiarygodnego udokumentowania. Ich ogromne rozmiary mogłyby sugerować, że powinny zostać dokładnie opisane znacznie wcześniej. W praktyce niezwykle krótki czas trwania, niewielka jasność oraz występowanie wysoko ponad odległymi burzami sprawiały, że ich rejestracja była bardzo trudna. Przełom nastąpił wraz z rozwojem technik obrazowania umożliwiających obserwację słabych i szybko zmieniających się źródeł światła. Kamery o wysokiej czułości pozwoliły nie tylko potwierdzić istnienie niezwykłych rozbłysków, lecz również analizować ich rzeczywisty kształt, wysokość, barwę oraz związek czasowy z konkretnymi wyładowaniami atmosferycznymi. Jeszcze większe możliwości przyniosły urządzenia rejestrujące bardzo dużą liczbę klatek na sekundę. Okazało się wtedy, że pozornie pojedynczy błysk może składać się z wielu kolejnych etapów zachodzących w ciągu zaledwie kilku milisekund. Rozwój technologii całkowicie zmienił więc sposób postrzegania TLE i umożliwił poznanie procesów niewidocznych podczas zwykłej obserwacji wzrokowej.

Dlaczego przez wiele lat nie udawało się ich dokładnie udokumentować?

Jedną z największych przeszkód był czas trwania. Większość TLE pojawia się na tak krótko, że obserwator może dostrzec jedynie błysk, nie mając możliwości dokładnego zapamiętania jego struktury. W przypadku szczególnie szybkich form cały proces zachodzi w ciągu kilku milisekund lub jeszcze krócej. Problem stanowiła również jasność. TLE nie zawsze są intensywnymi rozbłyskami łatwo widocznymi na nocnym niebie. Część struktur ma stosunkowo niewielką jasność powierzchniową, dlatego światło miejskie, blask Księżyca, zamglenie albo cienkie zachmurzenie mogą znacząco utrudniać ich zauważenie. Kolejnym ograniczeniem była geometria obserwacji. Sprity rozwijają się wysoko ponad Cumulonimbus, dlatego osoba znajdująca się bezpośrednio pod burzą nie ma dogodnej perspektywy. Chmura oraz jej rozległe kowadło zasłaniają wtedy obszar, w którym mogłoby pojawić się zjawisko. Znacznie korzystniejsze jest obserwowanie aktywnego układu z dużej odległości. Przez wiele lat brakowało również urządzeń pozwalających stale rejestrować szeroki fragment nieba z odpowiednią czułością. Tradycyjna fotografia wymagała przewidywania momentu wykonania zdjęcia, podczas gdy TLE pojawiają się niespodziewanie i znikają niemal natychmiast. Prawdopodobieństwo przypadkowego uchwycenia tak krótkiego zdarzenia było więc niewielkie. Sytuację komplikowała sama lokalizacja źródłowej burzy. Rozległy system konwekcyjny może znajdować się setki kilometrów od miejsca obserwacji. Pomiędzy nim a kamerą musi istnieć odpowiednio przejrzysta przestrzeń, ponieważ każda warstwa chmur lub znaczne zmętnienie atmosfery może uniemożliwić rejestrację. Wcześniejsze relacje o nietypowych błyskach ponad burzami były trudne do zweryfikowania również dlatego, że nie istniały rozbudowane systemy umożliwiające dokładne powiązanie obserwacji z konkretnym piorunem. Bez precyzyjnej informacji o czasie, położeniu i właściwościach wyładowania trudno było określić fizyczny mechanizm opisywanego zdarzenia. Przełomowe znaczenie miała pierwsza przypadkowa rejestracja spritów kamerą wideo w 1989 roku. Od tego momentu stało się jasne, że relacje o światłach pojawiających się wysoko ponad burzami dotyczą rzeczywistych procesów atmosferycznych, które można systematycznie obserwować i analizować. W kolejnych latach szybko zaczęły pojawiać się nowe nagrania, a wraz z nimi coraz dokładniejsze klasyfikacje. Stopniowo odkrywano, że ponad Cumulonimbus nie występuje jedna forma wyładowania, lecz cała rodzina zjawisk o różnych mechanizmach, wysokościach i wyglądzie.

Jak rozwój szybkich kamer zmienił badania TLE?

Wprowadzenie szybkich kamer było jednym z najważniejszych etapów badań nad TLE. Zwykłe nagranie może pokazać czerwony błysk jako pojedynczą strukturę, natomiast rejestracja z dużą liczbą klatek na sekundę pozwala rozłożyć ten sam proces na kolejne fazy. Szczególnie wiele informacji uzyskano dzięki obserwacjom spritów. Początkowo ich rozgałęzione formy mogły sprawiać wrażenie struktur powstających niemal jednocześnie w całej objętości. Dokładniejsze nagrania ujawniły jednak dynamiczny rozwój licznych streamerów. Możliwe stało się określenie, w którym miejscu rozpoczyna się świecenie, jak szybko rozwijają się poszczególne kanały oraz w jakim kierunku następuje ich propagacja. Widoczne są również kolejne rozgałęzienia, zmiany jasności i zanikanie poszczególnych fragmentów. Dzięki temu pojedynczy Sprite przestał być analizowany wyłącznie jako końcowy obraz świetlnej struktury. Można badać cały przebieg jego ewolucji, od pierwszych oznak emisji poprzez rozwój sieci streamerów aż do całkowitego zaniku. Duża rozdzielczość czasowa umożliwiła również dokładniejsze porównywanie momentu pojawienia się TLE z wyładowaniem macierzystym. Jeżeli dane optyczne zostaną zsynchronizowane z pomiarami elektrycznymi i elektromagnetycznymi, można określić opóźnienie pomiędzy piorunem a reakcją wyższych warstw atmosfery. Takie pomiary mają ogromne znaczenie dla sprawdzania modeli fizycznych. Jeżeli określona teoria przewiduje konkretny czas rozpoczęcia procesu, kierunek propagacji oraz prędkość rozwoju, wyniki można porównać bezpośrednio z rzeczywistym nagraniem. Kamery pozwoliły również ujawnić struktury zbyt krótkotrwałe lub słabe, aby mogły zostać dokładnie zbadane wzrokowo. W połączeniu z odpowiednio czułymi matrycami możliwe stało się rejestrowanie bardzo delikatnych emisji pojawiających się przed, podczas lub po głównej fazie rozbłysku. Kolejnym krokiem było prowadzenie zsynchronizowanych obserwacji z kilku miejsc. Jeżeli to samo zjawisko zostanie zarejestrowane pod różnymi kątami, można wykorzystać geometrię do określenia jego rzeczywistego położenia oraz wysokości. Obraz przestaje być wtedy jedynie dwuwymiarową projekcją widzianą z jednego stanowiska. Współczesne systemy obserwacyjne mogą dodatkowo współpracować z sieciami detekcji wyładowań, instrumentami satelitarnymi, fotometrami oraz urządzeniami rejestrującymi fale elektromagnetyczne. W efekcie jeden krótki rozbłysk może dostarczyć wielu różnych rodzajów danych.

Czy nadal odkrywane są nowe rodzaje zjawisk TLE?

Badania nad TLE nadal się rozwijają, a coraz dokładniejsze instrumenty pozwalają rozpoznawać subtelne struktury, które wcześniej mogły pozostać niezauważone albo zostać uznane za część lepiej znanego zjawiska. Nie oznacza to jednak, że każdy nietypowy błysk automatycznie staje się nowym, odrębnym rodzajem TLE. Wraz ze wzrostem jakości nagrań zaczęto wyróżniać formy o charakterystycznym wyglądzie, czasie występowania i relacji z innymi emisjami. Przykładem są Ghosts, obserwowane jako zielonkawe poświaty związane z niektórymi silnymi spritami. Ich wykrycie pokazało, że nawet w obrębie dobrze znanych czerwonych duszków mogą występować dodatkowe procesy świetlne wymagające osobnej analizy. Badane są również bardzo małe i krótkotrwałe struktury określane nazwami takimi jak Pixies czy Gnomes. Ich skala oraz przebieg wyraźnie różnią się od olbrzymich spritów lub ELVES, co pokazuje, jak szerokie spektrum zjawisk może występować ponad aktywnymi układami burzowymi. Istotne jest jednak rozróżnienie pomiędzy nazwą używaną w literaturze lub obserwacjach a formalnie ustaloną kategorią fizyczną. Terminologia TLE rozwijała się wraz z kolejnymi odkryciami, dlatego nie wszystkie określenia mają identyczny status i równie dobrze poznany mechanizm powstawania. Nowe obserwacje mogą również prowadzić nie tyle do odkrycia całkowicie nieznanej formy, ile do lepszego zrozumienia zjawiska już sklasyfikowanego. Coraz szybsze kamery pokazują szczegóły trwające zaledwie mikrosekundy lub milisekundy, które wcześniej zlewały się w jeden rozbłysk. Duże znaczenie mają obserwacje prowadzone z przestrzeni kosmicznej. Instrumenty orbitalne mogą monitorować rozległe obszary Ziemi, również nad oceanami, gdzie sieć naziemnych kamer jest znacznie rzadsza. Pozwala to tworzyć obszerniejsze zbiory danych i porównywać TLE występujące nad różnymi regionami świata. Rozwój techniki sprawia więc, że rodzina tych zjawisk nadal pozostaje aktywnym obszarem badań. Każde dokładniejsze nagranie może ujawnić kolejny element niezwykle szybkiej ewolucji wyładowania, nietypową emisję albo zależność, której nie można było rozpoznać przy użyciu wcześniejszych instrumentów. Historia TLE pokazuje przy tym, że atmosfera nadal kryje procesy trudne do zauważenia podczas codziennych obserwacji. Niektóre osiągają rozmiary dziesiątek lub nawet setek kilometrów, a mimo tego przez znaczną część historii badań pozostawały niemal niewidoczne. Dopiero połączenie odpowiednio czułych kamer, szybkiej rejestracji obrazu, pomiarów elektromagnetycznych oraz obserwacji z orbity pozwoliło odsłonić skalę zjawisk rozgrywających się wysoko ponad burzami.

Podsumowanie

Zjawiska TLE pokazują, jak wiele procesów związanych z burzami pozostaje niewidocznych dla obserwatora patrzącego wyłącznie na to, co dzieje się pod podstawą i wewnątrz chmur. Spektakularne wyładowania widoczne na nocnym niebie są tylko częścią znacznie większego układu elektrycznego, którego oddziaływanie może wykraczać daleko poza obszar typowych zjawisk pogodowych. Ich poznanie zmieniło sposób postrzegania burz. Okazało się, że nie są one układami zamkniętymi w troposferze, lecz mogą uczestniczyć w procesach obejmujących znacznie większą część ziemskiej atmosfery. Dzięki temu TLE stały się ważnym elementem badań nad wzajemnymi powiązaniami zachodzącymi pomiędzy jej poszczególnymi obszarami. Szczególnie fascynujący pozostaje fakt, że przez wiele lat zjawiska o tak ogromnych rozmiarach wymykały się dokładnym obserwacjom. Ich istnienie przypomina, że skala nie zawsze oznacza łatwość dostrzeżenia. Czasami największą przeszkodą okazuje się czas, ponieważ proces obejmujący dziesiątki kilometrów może zakończyć się, zanim człowiek zdąży świadomie zarejestrować jego pełny przebieg. Współczesne możliwości obserwacyjne otworzyły zupełnie nowy obszar poznawania elektryczności atmosferycznej. Każde dokładniejsze nagranie, pomiar czy analiza pozwalają zajrzeć do środowiska, którego nie możemy obserwować równie łatwo jak chmur, opadów czy klasycznych błyskawic. Jednocześnie nadal pozostaje wiele pytań dotyczących szczegółowego przebiegu niektórych procesów oraz mniej poznanych form pojawiających się ponad aktywnymi układami burzowymi. TLE są więc czymś więcej niż efektownymi rozbłyskami wysoko nad horyzontem. Stanowią jeden z najbardziej niezwykłych przykładów tego, jak dynamiczna i wzajemnie powiązana jest atmosfera Ziemi. Burza widziana z powierzchni może wydawać się ograniczona do potężnego Cumulonimbus, lecz jej elektryczne oddziaływanie potrafi zaznaczyć się w przestrzeni znajdującej się daleko ponad chmurami. I właśnie ta niewidoczna na pierwszy rzut oka więź pomiędzy różnymi obszarami atmosfery czyni zjawiska TLE tak wyjątkowym przedmiotem obserwacji i badań.