Nieuwe computersimulaties verklaren evolutie van sprites

Een carrot-sprite waargenomen in 1999Bron: Wyoming InfraRed Observatory Onderzoekers Alejandro Luque en Ute Ebert van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam hebben een volgende stap gezet in hun onderzoek naar sprites, reuzenbliksems boven de onweerswolken. In nieuwe simulaties volgen zij de ontwikkeling van de sprite en geven zij antwoord op nog niet eerder beantwoorde vragen over dit verschijnsel.

Publication date: 30-03-2010

Een carrot-sprite waargenomen in 1999
Bron: Wyoming InfraRed Observatory

Onderzoekers Alejandro Luque en Ute Ebert van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam hebben een volgende stap gezet in hun onderzoek naar sprites, reuzenbliksems boven de onweerswolken. In nieuwe simulaties volgen zij de ontwikkeling van de sprite en geven zij antwoord op nog niet eerder beantwoorde vragen over dit verschijnsel. Eerder onderzochten Luque en Ebert al het ontstaansproces van sprites. Hun onderzoeksresultaten staan wereldwijd in de belangstelling. Vandaag verschenen hun nieuwe resultaten in de online versie van Geophysical Research Letters.

Er zijn uit waarnemingen twee verschillende typen sprites bekend: de dikke carrot-sprite (die zijn naam heeft te danken aan het uiterlijk van een flinke bos bospeen met het loof er nog aan) en de dunne c-sprite. Zij verschillen ten opzichte van elkaar in grootte en intensiteit. In 2005 lieten zeer snelle films voor het eerst zien hoe ze ontstaan en waarom ze zo verschillen in vorm. Beiden beginnen in de geleidende nachtelijke ionosfeer op 80-90 km hoogte. De c-sprite is als het ware een kolom die tot wel dertig kilometer recht naar beneden schiet. De carrot-sprite schiet niet alleen naar beneden, maar daarna ook weer zijwaarts omhoog waardoor hij de vorm van een trechter krijgt.

In eerder onderzoek (Nature Geoscience, Nov. 2009) verklaarden Luque en Ebert al met computersimulaties de oorsprong van beide types sprite: het ontstaan van de halo - een diffuus schotelachtig lichtschijnsel dat voor de reuzenbliksems uitgaat - en hoe de sprite hieruit begint naar beneden te schieten. In nieuw onderzoek geven Luque en Ebert een theoretische verklaring voor het verdere verloop van de sprite: hoe de uitlopers van de sprite, de ‘streamers’ naar beneden lopen, waarom de ‘streamer heads’  (punten) hierbij steeds feller worden, vanaf welke hoogte hij weer terug naar boven schiet en waarom de ‘streamer’ achter zijn felle kop eerst donker wordt en later weer opglimt. De onderzoekers zijn de enigen ter wereld die het ontstaan en verloop van de sprite zo vergaand en realistisch hebben gesimuleerd met inbegrip van de verandering van luchtdichtheid en de elektronendichtheid met de hoogte.

Het model van Luque en Ebert omvat alle mechanismen om de sprite te kunnen verklaren en komt goed overeen met de waarnemingen. Dit is een enorme wiskundige uitdaging omdat er met heel verschillende groottes moet worden gerekend. De ‘streamers’ lijken namelijk op heel lange groeiende vingers in een grote uitwendige ruimte; de vingers worden omhuld door een zeer dunne ‘huid’ van elektrische lading, en de verplaatsing van deze dunne ‘huid’ moet heel nauwkeurig berekend worden.

Het model is ook realistisch voor de ionosfeer. Waarnemingen en goede modellen kunnen ons een nauwkeuriger inzicht geven in eigenschappen van de dampkring zoals de elektronendichtheid en hoe die verandert door meteorieten, gravitatiegolven, kosmische straling, windschering (lokale plotselinge verandering in de wind), zonnestraling en onweer. Bij het CWI is aard- en levenswetenschappen een belangrijk thema. Dit onderzoek is daar een goed voorbeeld van. Het onderzoeksproject werd gefinancierd door Technologiestichting STW.

Voor meer hoge resolutie afbeeldingen:
1-
Tijdelijke ontwikkeling van een sprite
(Bron: H.C. Stenbeak-Nielsen en M.G. McHarg, Phys.D:Appl.Phys 41 (2008) 234009)

2-
Simulatie van de evolutie van een sprite steamer
(Sourc: CWI - Luque and Ebert)