| Περίληψη |
Ο όρος «μεταβατικά οπτικά συμβάντα» (ΜΟΣ), που αντιστοιχεί στον αγγλικό “transient luminous events” (TLE), αναφέρεται σε στιγμιαία φωτεινά φαινόμενα που λαβαίνουν χώρα στην ανώτερη ατμόσφαιρα πάνω από περιοχές ενεργών κεραυνο- καταιγίδων. Η έρευνα των φαινομένων αυτών, τα οποία έχουν ανακαλυφθεί τα τελευταία χρόνια και περιλαμβάνουν διάφορες κατηγορίες, όπως αυτές των sprites (διάρκειας 10 – 100 ms) και elves ( διάρκειας < 1 ms), είναι εντατική και επίμονη, απασχολεί δε αρκετές ομάδες επιστημόνων ατμοσφαιρικής φυσικής ανά τον κόσμο.
Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να συνεισφέρει με νέα επιστημονική γνώση στην φυσική κατανόηση των ΜΟΣ και των μηχανισμών σύζευξης της ηλεκτρικής ενέργειας των κεραυνών, που εκλύεται υπό την μορφή ημι-ηλετροστατικών και ηλεκτρομαγνητικών παλμών, στην ανώτερη ατμόσφαιρα και την κατώτερη ιονόσφαιρα. Η διερεύνηση των ΜΟΣ γίνεται μέσω της ανάλυσης των ταυτόχρονων αποτελεσμάτων της δράσης της ηλεκτρικής ενέργειας στο ιονοσφαιρικό πλάσμα. Αυτά ανιχνεύονται με ΗΜ κύματα υπέρ χαμηλών συχνοτήτων (VLF) τα οποία εκπέμπονται από υπάρχοντες ανά την υφήλιο ισχυρούς πομπούς. Τα κύματα αυτά διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις εντός του κυματοδηγού Γης-Ιονόσφαιρας, ενώ επηρεάζονται από διαταραχές στην κατώτερη ιονόσφαιρα, εκ των οποίων κάποιες σχετίζονται με την ύπαρξη των ΜΟΣ. Το μεγαλύτερο μέρος της παρούσας έρευνας έγινε με βάση την ανάλυση και ερμηνεία σημάτων ερευνητικών δεκτών VLF υψηλής χρονικής διακριτικής ικανότητας, που ήσαν εγκατεστημένοι ο ένας στην Κρήτη και ο άλλος στην κεντρική Γαλλία, όπου έγιναν και οι μετρήσεις των ΜΟΣ με ειδικές κάμερες υψηλής ευκρίνειας και συστήματα ανίχνευσης ατμοσφαιρικών ηλεκτρικών εκκενώσεων.
Η παρούσα μελέτη οδήγησε σε μία σειρά νέων αποτελεσμάτων τα οποία και τεκμηριώνονται με λεπτομέρεια στην διατριβή, ενώ αποτέλεσαν τη βάση σειράς δημοσιεύσεων. Τα αποτελέσματα αυτά, συνοψίζονται εδώ ως εξής: 1) Βρέθηκε ότι τα sprites συνοδεύονται με μια παλμική διαταραχή στο πλάτος του VLF σήματος η οποία συνεπάγεται ότι η δράση των ηλεκτροστατικών παλμών που δημιουργούν το οπτικό φαινόμενο (με την διέγερση / αποδιέγερση των μορίων του αζώτου) παράγουν επίσης και ικανό ιονισμό στην κατώτερη ιονόσφαιρα ο οποίος ευθύνεται για την προς τα εμπρός κατευθυντική σκέδαση των κυμάτων VLF. 2) Βρέθηκε ότι υπάρχει μια σημαντική υποκατηγορία των sprites στην οποία το οπτικό φαινόμενο, αλλά και η παλμική διαταραχή που αποτυπώνεται στο VLF σήμα, καθυστερεί να εμφανισθεί ως προς την προκαλούσα αυτό θετική κεραυνική εκκένωση νέφους-εδάφους (positive cloud to ground discharge, +CG). Αυτό φαίνεται να υπαγορεύει ένα σημαντικό ρόλο, στον μηχανισμό δημιουργίας sprites, των «συνεχών ρευμάτων» (continuing currents) νέφους-εδάφους και νέφους-νέφους που ακολουθούν τις κεραυνικές εκκενώσεις. 3) Διαμέσου φασματικής ανάλυσης του κεραυνικού ΗΜ θορύβου στην ζώνη των VLF, εντοπίσθηκε ότι η κύρια αιτία υπεύθυνη για την μορφολογία των sprites και των σχηματικών τους χαρακτηριστικών είναι η χωρική ανακατανομή ηλεκτρικού φορτίου μέσου εκκενώσεων ενδονεφικής προέλευσης (intracloud discharges). 4) Η αριθμητική επίλυση ενός χημικού ιονοσφαιρικού μοντέλου τεσσάρων κύριων φορτισμένων συστατικών, των οποίων η χρονική μεταβολή εκφράζεται από ένα ισάριθμο αριθμό συνήθων διαφορικών εξισώσεων συνέχειας, και η προσαρμογή των λύσεων αυτών στα πειραματικά δεδομένα, επέτρεψε για πρώτη φορά την εκτίμηση των επιπέδων ιονισμού που μπορεί να συνοδεύει τα sprites και τα ύψη στα οποία ο ιονισμός αυτός εντοπίζεται στην κατώτερη ιονόσφαιρα. 5) Δια της ανάλυσης χρονοσειρών υψηλής χρονικής ευκρίνειας, ανακαλύφθηκε μια νέα κατηγορία παλμικής διαταραχής του ΗΜ κύματος VLF που λαβαίνει χώρα ταυτόχρονα με τα sprites, η οποία χαρακτηρίζεται από μια βραδεία αύξηση του πλάτους του σήματος αμέσως μετά την περαίωση του οπτικού φαινομένου. Αυτή η παρατήρηση συνεπάγεται την δράση μιας παρατεταμένης πηγής ηλεκτρικής ενέργειας που επαυξάνει σταδιακά την διαταραχή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της περιοχής της κατώτερης ιονόσφαιρας πάνω από την κεραυνο-καταιγίδα. Λεπτομερής ανάλυση του ΗΜ θορύβου στην περιοχή VLF του φάσματος, οδήγησε σε ένα μηχανισμό ερμηνείας που θεωρεί ότι η αιτία της βραδείας αύξησης της διαταραχής είναι ομάδες πυκνών ενδονεφικών ηλεκτρικών εκκενώσεων που εκπέμπουν πακέτο ΗΜ παλμών. Στη συνέχεια, οι παλμοί αυτοί φτάνουν στην κατώτερη ιονόσφαιρα όπου ενεργοποιούν τα πρωτογενή ηλεκτρόνια των sprites και έτσι οδηγούν σε κατακλυσμιαία παραγωγή δευτερογενών ηλεκτρονίων και συνεπώς σε μια σταδιακή συσσώρευση ιονισμού. 6) Η παρούσα εργασία οδήγησε για πρώτη φορά στην πειραματική επαλήθευση θεωρητικών προβλέψεων σύμφωνα με τις οποίες τα στιγμιαία οπτικά φαινόμενα των elves συνοδεύονται με παραγωγή ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ύψη άνω των 80 km. 7) Λεπτομερής διερεύνηση των χαρακτηρι-στικών της απόκρισης μαγνητομετρικών συστημάτων μέτρησης ΗΜ θορύβου στην ζώνη των «άκρως χαμηλών συχνοτήτων» (ULF, f < 10 Hz), έδειξε ότι δεν υπάρχει κάποια ειδοποιός διαφορά στις +CG ηλεκτρικές εκκενώσεις που οδηγούν σε sprites, σε σχέση με αυτές που δεν οδηγούν. Αυτό το (αρνητικό) εύρημα αποδυναμώνει προηγούμενες παραδοχές για το αντίθετο οι οποίες βασίζονταν στην ύπαρξη «μακρόβιων» συνεχών ρευμάτων (που μπορεί να επηρεάζουν και συνεπώς να αποτυπώνονται στην ζώνη των ULF) μόνο σε εκείνες τις +CG κεραυνικές εκκενώσεις που οδηγούν στην δημιουργία sprites στην ανώτερη ατμόσφαιρα. 8) Τελικά, επιχειρήθηκε η βελτίωση υπάρχοντος μοντέλου σκέδασης VLF κυμάτων από ένα σύνολο αγώγιμων κυλίνδρων ταυτόσημων με κατακόρυφες δομές sprites, οι οποίοι ενεργούν ως στοιχεία δευτερογενούς ακτινοβολίας του προσπίπτοντος κύματος. Τα νέα χαρακτηριστικά του μοντέλου αυτού, ως προς το υπάρχον, είναι ότι λαμβάνει υπόψη την ΗΜ αλληλεπίδραση των στοιχείων ακτινοβολίας και την μεταβολή των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων με το ύψος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση των μεταβολών στο σήμα VLF που οφείλονται στην σκέδαση του κύματος από διαταραχές στο ιονοσφαιρικό πλάσμα λόγω της δράσης της ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργεί ταυτόχρονα και τα sprites.
|
Very Low Frequency EM Wave Studies of Transient Luminous Events in the Lower Ionosphere
