Παροδικά φωτεινά συμβάντα στη μέση και ανώτερη ατμόσφαιρα

160 × 230 SPINE: 8.6

FLAPS: 70

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης

ΠΑΡΟΔΙΚΑ ΦΩΤΕΙΝΑ ΣΥΜΒΑΝΤΑ

ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΔΙΑΘΕΣΗ Βατάτζη 55, 114 73 Αθήνα | ΤΗΛ.: 210 64 31 108 ocelotos@ocelotos.gr | www.ocelotos.gr

ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΑΝΩΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

ISBN 978-618-205-290-7

ΕΚΔΟΣΕΙΣ

ο σ ε λ ότ ο ς

ΠΑΡΟΔΙΚΑ ΦΩΤΕΙΝΑ ΣΥΜΒΑΝΤΑ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΑΝΩΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ «Γιγάντιοι πίδακες», «φαντάσματα», «ξωτικά», «νεράιδες» και «κόκκινα δαιμόνια»

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης

ΠΑΡΟΔΙΚΑ ΦΩΤΕΙΝΑ ΣΥΜΒΑΝΤΑ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΑΝΩΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ «Γιγάντιοι πίδακες», «φαντάσματα», «ξωτικά», «νεράιδες» και «κόκκινα δαιμόνια»

— ΑΘΗΝΑ 2022 —

ΤΙΤΛΟΣ

Παροδικά Φωτεινά Συμβάντα στη μέση και ανώτερη ατμόσφαιρα ΣΥΓΓΡΑΦΈΑΣ

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης ΣΕΙΡΑ

Επιστημονικά [5358] 0522/05 ΕΠΙMΕΛΕΙΑ - ΔΙΟΡΘΩΣΗ

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης LAYOUT - DESIGN Myrtilo, Λένα Παντοπούλου COPYRIGHT© 2022 Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης ΠΡΏΤΗ ΕΚΔΟΣΗ

Αθήνα, Μάιος 2022 ISBN 978-618-205-290-7

ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΔΙΑΘΕΣΗ Βατάτζη 55, 114 73 Αθήνα | ΤΗΛ.: 210 64 31 108

ocelotos@ocelotos.gr | www.ocelotos.gr

Το παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις της ελληνικής νομοθεσίας, (Ν.

2121/1993, όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) καθώς και από τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται η καθ’ οιονδήποτε τρόπο ή μέσο (ηλεκτρονικό, μηχανικό ή άλλο) αντιγραφή, φωτοανατύπωση και γενικώς αναπαραγωγή, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου χωρίς τη γραπτή άδεια του δικαιούχου συγγραφέα.

Αφιερωμένο σε όσους επιμένουν να προσφέρουν γνώση και να παράγουν επιστημονικό έργο, παρά τις αντιξοότητες.

Λίγα λόγια για τον συγγραφέα Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1978. Εισήχθη στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης στο Ηράκλειο το 1996, από όπου πήρε το πτυχίο του το 2000 με βραβεία από το Ι.Κ.Υ. Εισήχθη με υποτροφία στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα σπουδών της ίδιας σχολής και έλαβε το μεταπτυχιακό δίπλωμα ειδίκευσης στην «Πυρηνική Φυσική και Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων» το 2002 και το διδακτορικό του δίπλωμα το 2007 με έρευνα και δημοσιεύσεις περί δινών και σολιτονίων στο μοντέλο Goldstone και σε αβελιανά μοντέλα Higgs. Ως βοηθός καθηγητή, στα πλαίσια των μεταπτυχιακών σπουδών του και της διδακτορικής του διατριβής, έκανε μαθήματα διαφορικών εξισώσεων, συναρτήσεων πολλών μεταβλητών και γενικής Φυσικής στο τμήμα Φυσικής αλλά και στο τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης. Εκτός αυτού, είναι ερασιτέχνης μετεωρολόγος όπως και αυτοδίδακτος φωτογράφος με έμφαση στην καιρική φωτογραφία και την αστροφωτογραφία. Επίσης, αποτελεί ένα εκ των τεσσάρων ιδρυτικών μελών, της ελληνικής ομάδας καταγραφής παροδικών φωτεινών συμβάντων.

Λίγα λόγ ια γ ια τον σ υγγραφέ α • — ΑΘΗΝΑ 2 0 2 2 —

Μέχρι σήμερα, έχει γράψει την τριλογία «Τα φυσικά φαινόμενα» (εκδόσεις «Οσελότος»), όπως και πάνω από δώδεκα βιβλία μαθηματικών και φυσικής για φοιτητές εφαρμοσμένων σχολών.

7

Περιεχόμενα Λίγα λόγια για τον συγγραφέα…

7

Περιεχόμενα

9

Εισαγωγή

11

Κεφάλαιο Ι

Σύμβολα, μονάδες και στοιχειώδεις φυσικές έννοιες Συνήθεις μονάδες μέτρησης, σύμβολα, δυνάμεις, τάξη μεγέθους, άτομα και μόρια, αγωγοί, ηλεκτρικό πεδίο, διαφορά δυναμικού, διηλεκτρικά, πόλωση, δίπολο, κατάρρευση του διηλεκτρικού, «χιονοστιβάδα» ηλεκτρονίων, πεδίο κατάρρευσης, θερμό και ψυχρό πλάσμα, βαθμός ιονισμού, γήινη ατμόσφαιρα, ιονόσφαιρα, πυκνότητα ατμόσφαιρας, μέση ελεύθερη διαδρομή, διέγερση αποδιέγερση και ιονισμός ατόμων και μορίων, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, φάσματα εκπομπής, μοριακά φάσματα.

15

Κεφάλαιο ΙΙ

Καταιγίδες και τροπόσφαιρα Πεδίο καλοκαιρίας, κοσμική ακτινοβολία, ραδιενέργεια, καταιγίδα, αστραπή, κεραυνός, βηματικός οδηγός, χτύπημα επιστροφής, βροντή, θετικές και αρνητικές ταινίες, οδηγοί (leaders) και ταινίες (streamers), κεραυνοί–αράχνες, μακρόβια ή συνεχιζόμενα ρεύματα, Bolt from the Blue (BFB), superbolts και άλλα είδη εκκενώσεων, μηχανισμοί δημιουργίας φορτίων στις καταιγίδες, graupel, επίπεδο ισορροπίας EL, προεξέχουσες κορυφές και αντισταθμιστικό φορτίο.

38

Κεφάλαιο ΙΙΙ

Μέση και ανώτερη ατμόσφαιρα, ιονόσφαιρα, χρόνος αποκατάστασης πεδίου, αγωγιμότητα, ELVES, ηλεκτρομαγνητικός παλμός, tiger ELVES, άλως των sprites, red sprites, φωτοϊονισμός, ανομοιογένειες πλάσματος, φούσκες ιονισμού, CMC και iCMC, μορφολογία sprites, dancing sprites, φωτεινότητα, αρνητικά sprites, μπλε πίδακες, γιγάντιοι πίδακες, δευτερεύοντα TLEs, GhOSTs, TROLLs, gnomes, pixies, BLEs, NBEs, παρατήρηση και καταγραφή red sprites και TLEs μέσω ραδιοκυμάτων, red sprites την ημέρα, red sprites σε άλλους πλανήτες και σε ηφαίστεια.

57

Περιε χόμενα • — ΑΘΗΝΑ 2 0 2 2 —

Παροδικά φωτεινά συμβάντα και ανώτερη ατμόσφαιρα

9

Κεφάλαιο IV

Παρατήρηση και καταγραφή παροδικών φωτεινών συμβάντων Παρατήρηση με γυμνό μάτι, ιδανικές συνθήκες παρατήρησης, καταγραφή με φωτογραφικό εξοπλισμό, διαστημικές παρατηρήσεις και καταγραφές, ελληνικές καταγραφές, οργάνωση εξορμήσεων για καταγραφές TLEs, το πλεονέκτημα της Ελλάδας και της Μεσογείου, δεδομένα και στατιστικά για τα TLEs στην περιοχή μας, superbolts και TLEs, αξιοσημείωτες περιπτώσεις.

Βιβλιογραφία – Έρευνες

110

128

Εικόνες παροδικών φωτεινών συμβάντων

ΧΡΗΣ ΤΟΣ ΝΤΟΥΝΤΟΥΛ ΑΚΗΣ

Σπάνια φωτογραφικά ντοκουμέντα από την ελληνική ομάδα αλλά και από το εξωτερικό, όπως και επεξηγηματικά σχήματα για τα παροδικά φωτεινά συμβάντα και τα χαρακτηριστικά τους

10

141

Εισαγωγή Σε αυτό το, πρωτότυπο, για τα ελληνικά και ίσως και για τα παγκόσμια δεδομένα, βιβλίο, καθώς είναι το πρώτο του είδους του, επιχειρείται να διαδοθεί στο ευρύ κοινό, η γνώση που έχουμε ως σήμερα για αυτά τα πολύ εντυπωσιακά και συνάμα άγνωστα, μέχρι πριν λίγες δεκαετίες, φαινόμενα που συμβαίνουν πάνω από τις ισχυρές καταιγίδες του πλανήτη μας και συνδέονται άμεσα ή έμμεσα με αυτές. Στο εξωτερικό, αυτά τα φαινόμενα λέγονται συντομογραφικά TLEs, από το Transient Luminous Events, που στα ελληνικά αποδίδεται ως «παροδικά φωτεινά συμβάντα». Αποτελούν πολύ βραχύβια, σχετικά αμυδρά φαινόμενα που προκαλούνται (και, αλλά όχι μόνο) από τις ανακατανομές του ηλεκτρικού φορτίου εντός ενός καταιγιδοφόρου νέφους και τις συνεπακόλουθες απότομες μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου στη μέση και τμήμα της ανώτερης ατμόσφαιρας, λόγω των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε αυτό. Βλέπε εικόνα 1 στο τέλος του βιβλίου για μια γραφική απεικόνιση όλων των TLEs που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα.

Μετά την επιβεβαίωση της ύπαρξής τους, το 1989, ακολούθησαν πολλές ερευνητικές αποστολές, ενώ με την εξέλιξη και των φωτογραφικών μηχανών, σήμερα είναι πλέον εφικτό να συλληφθούν και από το έδαφος με τη χρήση ενός αρκετά καλού συστήματος φωτογραφικής μηχανής και φακού. Αυτή τη στιγμή, πέρα από τους (ελάχιστους) ερευνητές σε διάφορα πανεπιστήμια, οι οποίοι τα εξετάζουν και αναλύουν δεδομένα, ώστε να καταλήξουν σε συγκεκριμένες θεωρίες για τους μηχανισμούς δημιουργίας αυτών των φαινομένων, υπάρχουν και μεμονωμένα

Εισ αγωγή • — ΑΘΗΝΑ 2 0 2 2 —

Επισήμως, η πρώτη φωτογραφία που έχουμε από αυτά τα φαινόμενα, ελήφθη το 1989. Ωστόσο μαρτυρίες για αυτά υπήρχαν από πολύ παλαιότερα, ακόμη και από τα τέλη του 19ου αιώνα ή ίσως και πολύ παλιότερα. Εντός του 20ου αιώνα διάφοροι πιλότοι είχαν δει τέτοια φαινόμενα, από την πλεονεκτική θέση του πιλοτηρίου ενός αεροπλάνου, δηλαδή από μεγάλο ύψος με ανεμπόδιστη θέα και ικανοποιητικό σκοτάδι τις νύχτες, αλλά υπήρχε δισταγμός ως προς την αναφορά αυτών που έβλεπαν, καθώς τότε ήταν ακόμη «άγνωστα» ή «ανεπιβεβαίωτα».

11

άτομα ή ομάδες, μετρημένοι στα δάχτυλα των χεριών σε όλο τον πλανήτη, οι οποίοι τα «κυνηγούν» για να τα φωτογραφίσουν, να τα καταγράψουν και να τα μελετήσουν.

ΧΡΗΣ ΤΟΣ ΝΤΟΥΝΤΟΥΛ ΑΚΗΣ

Μια τέτοια, πρωτοποριακή για τα ελληνικά δεδομένα, ομάδα, έχει ξεκινήσει τις καταγραφές αυτών των φαινομένων από το 2015, παρέχοντας πολύτιμα στοιχεία και αυτή με τη σειρά της, στη διεθνή επιστημονική κοινότητα, μέσω της διεθνούς ομάδας παρατηρητών TLEs της ανώτερης ατμόσφαιρας. Η ελληνική ομάδα καταγραφής παροδικών φωτεινών συμβάντων αποτελείται από έναν «ιδρυτικό πυρήνα» τεσσάρων ατόμων, τον συγγραφέα του παρόντος βιβλίου Χρήστο Ντουντουλάκη και τους Δημήτρη Σαγιάκο, Θανάση Παπαθανασίου από την Αττική όπως και τον Παναγιώτη Τσούρα από τη Βοιωτία. Στο ιδιόμορφο αυτό «κυνήγι», αρκετές φορές συμμετέχουν και άλλοι, πολλοί εκ των οποίων έχουν βοηθήσει στις καταγραφές, όπως θα δούμε και στο κεφάλαιο IV.

12

Η ομάδα αυτή, χωρίς την παραμικρή υποστήριξη ως τώρα και αποκλειστικά με δικά της μέσα και έξοδα, όπως άλλωστε είναι ο κανόνας στην όμορφη χώρα μας, ιδιαίτερα σε ό,τι αφορά επιστημονικές πρωτοβουλίες, εκτός των άλλων «κυνηγά» και καταιγίδες εδώ και πάρα πολλά χρόνια, ενώ ασχολείται και με την αστροφωτογραφία αλλά και άλλα είδη φωτογραφίας. Ωστόσο στις αρχές της δεκαετίας του 2010, συζητήσεις ανάμεσα στον Χρήστο Ντουντουλάκη που τότε είχε ξεκινήσει να ασχολείται και με τα TLEs στα πλαίσια της συγγραφής της εκλαϊκευμένης επιστημονικής τριλογίας «Τα φυσικά φαινόμενα», και τον Δημήτρη Σαγιάκο που επίσης είχε αρχίσει να ενδιαφέρεται και να ερευνά για τα TLEs λόγω και καταγραφών που έβλεπε από το εξωτερικό, οδήγησαν στην 1η καταγραφή red sprites (ένα μέλος της «οικογένειας» των TLEs, το οποίο θα δούμε στο κεφάλαιο ΙΙΙ μαζί με τα υπόλοιπα) για τη χώρα μας, στις 21.09.2015 από τον Δημήτρη Σαγιάκο (βλ. εικόνα 4 στο τέλος του βιβλίου). Εκείνο το βράδυ, ο Δημήτρης κατέγραψε τρία τέτοια συμβάντα. Από εκεί και μετά, πολύωρες συζητήσεις και σύσταση του «πυρήνα» μαζί και με τις πολύτιμες τεχνικές γνώσεις και υποδείξεις των Θανάση Παπαθανασίου και Παναγιώτη Τσούρα, οδήγησαν σε οργανωμένες και άκρως αποτελεσματικές «εξορμήσεις» για καταγραφή παροδικών φωτεινών συμβάντων. Περισσότερα για τις καταγραφές που έχουν γίνει στην Ελλάδα και πώς αυτές οργανώνονται, θα αναφερθούν στο κεφάλαιο IV.

Το βιβλίο αυτό, φιλοδοξεί να προσφέρει πολλά τόσο στο μέσο αναγνώστη, όσο και σε κάποιον φοιτητή ή καθηγητή που θα ήθελε μια περιεκτική εισαγωγή σε αυτά τα φαινόμενα. Ο αναγνώστης θα μάθει πόσα είναι αυτά, τι μορφή και χρώμα έχουν, πώς και πού δημιουργούνται, πώς και πού μπορεί να τα δει και να τα καταγράψει, συνεισφέροντας έτσι στο ελληνικό αρχείο καταγραφών, όπως επίσης και τι έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα στη χώρα μας και από ποιους, ενώ παρουσιάζονται και κάποιες επιλεγμένες φωτογραφίες από την ομάδα μας αλλά και από το εξωτερικό.

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης

Εισ αγωγή • — ΑΘΗΝΑ 2 0 2 2 —

Αθήνα, Απρίλιος 2022.

13

Κεφάλαιο Ι Σύμβολα, μονάδες και στοιχειώδεις φυσικές έννοιες Σε αυτό το κεφάλαιο θα θυμηθούμε κάποιες βασικές έννοιες περί ηλεκτρισμού, όπως τι ονομάζουμε «αγωγό», «μονωτή» (ή διηλεκτρικό) καθώς και τι είναι το «πλάσμα» (η 4η κατάσταση της ύλης, με τις άλλες τρεις να είναι η στερεά, η υγρή και η αέρια).

Πριν προχωρήσουμε στη σύντομη παρουσίαση αυτών των φυσικών εννοιών, θα δούμε κάποιες φυσικές μονάδες και τα σύμβολά τους, ώστε να είμαστε εξοικειωμένοι με αυτά στα παρακάτω κεφάλαια. Μερικά από αυτά, είναι ήδη γνωστά από την καθημερινότητά μας. Συνήθεις μονάδες μέτρησης μήκους. Χιλιοστό (mm = 10–3 m), εκατοστό (cm = 10–2 m), μέτρο (m), χιλιόμετρο (km = 103 m = 1000 m). Συνήθεις μονάδες μέτρησης μήκους στο μικρόκοσμο (άτομα, μόρια). Νανόμετρο (nm = 10–9 m), μικρόμετρο (μm = 10–6 m), Angstrom (A = 10–10 m), fermi (fm = 10–15 m). Συνήθεις μονάδες μέτρησης χρόνου. Δευτερόλεπτο (s), λεπτό (min = 60 s), ώρα (hr = 60 min = 3600 s), μιλιδευτερόλεπτο ή χιλιοστό του δευτερολέπτου (ms = 10–3 s = 0.001 s), μικροδευτερόλεπτο ή εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (μs = 10–6 s = 0.000001 s), νανοδευτερόλεπτο ή δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (ns = 10–9 s = 0.000000001 s. Συνήθεις μονάδες μέτρησης μάζας. Γραμμάριο (g), κιλό (kg = 1000 g), τόνος (t ή tn = 1000 kg). Συνήθεις μονάδες μέτρησης ενέργειας. Joule (J), θερμίδα (cal ≈ 4.2 J), ηλεκτρονιοβόλτ (eV = 1.6 ⋅ 10–19 J , η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται σε διαφορά δυναμικού ενός Volt).

Κε φάλ αιο Ι • Σύμβολ α, μονά δες κ αι σ τοιχειώδεις φυ σικέ ς έννοιες

Επίσης, άλλες έννοιες που θα χρειαστούμε στα επόμενα κεφάλαια και θα δούμε στο παρόν με συντομία και απλότητα, αφορούν τη διέγερση και αποδιέγερση ατόμων και μορίων της ατμόσφαιρας, την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως και τους φορείς της που είναι τα φωτόνια (φως).

15

160 × 230 SPINE: 8.6

FLAPS: 70

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης

ΠΑΡΟΔΙΚΑ ΦΩΤΕΙΝΑ ΣΥΜΒΑΝΤΑ

ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΔΙΑΘΕΣΗ Βατάτζη 55, 114 73 Αθήνα | ΤΗΛ.: 210 64 31 108 ocelotos@ocelotos.gr | www.ocelotos.gr

ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΑΝΩΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

ISBN 978-618-205-290-7

ΕΚΔΟΣΕΙΣ

ο σ ε λ ότ ο ς