MYSTERY BALL

A mysterious glowing ball of light travelling 1/100th the speed of light has been spotted and videotaped in the Earth's upper atmosphere at an height of about 80 kilometers.

The mystery ball has been videotaped on August 22 by Paul McCrone, a graduate student at Creighton University in Nebraska, while observing a region of thunderstorm activity above western Kansas.

The mystery ball has nothing to do with UFO's. It is most likely associated with other luminous electrical phenomena, like elves and sprites in the upper atmosphere.

Below some recent reports on elves and sprites followed by a story in Dutch. The Dutch story was written earlier this year for a popular science magazine in The Netherlands.

Stanford University

Dec. 15, 1996

Thunderstorms Have Flickering, High-Altitude Halos

Thunder clouds may not always have a silver lining - but they definitely can sport high-altitude halos of flickering red light.

That phenomenon has been confirmed by researchers at Stanford's Very Low Frequency Research Group who for the first time have measured the horizontal structure and dynamics of a new kind of stratospheric lightning that scientists have named "elves." The new measurements, obtained with a specially constructed device called the Fly's Eye, confirm the prediction that these flashes take the highly unusual form of luminous rings that spread across the sky at speeds faster than light.

In February 1996 the Stanford scientists predicted that elves would have such a rapidly expanding ring-like structure. They based their prediction on the assumption that the newly discovered phenomenon is produced by powerful electromagnetic pulses generated by large lightning strokes.

The new observations will be reported by Umran Inan, professor of electrical engineering, on Sunday morning, Dec. 15, at the American Geophysical Union meeting in San Francisco. The results are also contained in a paper - currently under review by the journal Geophysical Research Letters - written by Inan, applied physics graduate student Christopher Barrington-Leigh, electrical engineering senior Sean Hansen, electrical engineering graduate student Vyacheslav S. Glukhov, senior research engineer Tim F. Bell, and Richard Rairden from Lockheed-Martin Palo Alto Research Laboratory.

"For a long time we have known that certain events in the upper reaches of the atmosphere, like solar storms, can affect the lower atmosphere resulting in significant consequences like power blackouts," Inan says. "Now we are learning that certain events in the lower atmosphere can affect the upper atmosphere. Because about 1,000 lightning strokes occur each minute around the world, it is not unlikely these effects may have a global impact on the atmosphere." Pilots have reported strange flashes of light above thunderstorms for some time. It wasn't until the late 1980s, however, that scientists began taking these reports seriously. Once they began studying these lights, researchers found a number of new phenomena. So far they have detected:

  • Blue jets, streamers of blue light that stretch horizontally as far as 30 miles just above the cloud tops.
  • Red sprites, diffuse blobs of red light that stretch from 25 miles to 55 miles in altitude.
  • "Elves" that occur at altitudes ranging from 55 to 60 miles, and can expand horizontally to sizes more than 160 miles across.

    These new forms of lightning can be quite bright, but they are subliminally brief, existing for only a few thousandths of a second. Elves are the shortest lived, lasting significantly less than a millisecond. They are so quick that scientists aren't certain that they can be seen with the naked eye. But if they can be seen, they should look red, Inan says.

    Elves are also too brief to register on most video cameras, which use electronic light detectors with a time resolution of 16 milliseconds. They can only detect elves that are unusually bright, the scientist says.

    In 1995 a group of Japanese scientists produced the first direct evidence that elves exist. They used an instrument called a photometer to detect distinctive sub-millisecond light flashes originating higher in the sky than those from sprites, which last several milliseconds.

    Inan and his colleagues, however, needed more information about the shape and the dynamics of the elves to test their model. So they built a special device, christened the Fly's Eye, to study the elusive lights. The instrument has a dozen 18-inch barrels. Each barrel points to a different part of the sky and is connected to electronics that amplify the incoming light to detectable levels. Because the Fly's Eye has a time resolution of 30 microseconds, it can measure the way elves change over their brief lifetimes.

    Last July the scientists set the Fly's Eye up at the Yucca Ridge Field Station in Colorado and were able to record the flickering life cycle of 10 elves. They all started in a small region centered above the position of a lightning stroke and rapidly expanded outward until reaching sizes as large as 200 miles across.

    This picture fits remarkably well with theoretical predictions made earlier by Inan and former students Wesley A. Sampson, now at Qualcomm Inc. in San Diego, and Yuri Taranenko, now at Los Alamos National Laboratory.

    When they heard the first reports of the new kinds of lightning above thunderstorms, the Stanford researchers realized that lightning strokes would generate electromagnetic pulses. Electromagnetic pulses first came to public attention in the 1960s when scientists realized that nuclear explosions could generate waves of electromagnetic energy strong enough to destroy unshielded electronic equipment. Although not nearly as intense as those produced by a bomb blast, the pulses generated by lightning should carry enough energy to create optical effects, the scientists calculated.

    The researchers modeled these pulses and proposed that they travel radially outward and upward from the lightning stroke and generate light when they intersect the bottom of the ionosphere, the region above the stratosphere that contains electrically charged atoms. The pulse travels at the speed of light. The first part of the wave front to hit the ionosphere is a small ring above the lightning stroke. This expands outward as portions of the pulse that travel longer and longer distances strike the ionosphere.

    "The ring expands faster than the speed of light for the same reason that waves, when striking the beach at an angle, travel along the shore at a faster speed than the waves move through the water," Inan says.

    Because of the ring's superluminal expansion rate, light from its newer parts actually reached the instrument before the light from the older parts. The researchers had to take this into account when interpreting the data from the Fly's Eye.

    [NOTE: "ELVES" stands for Emission of Light due to Very low frequency pertubations from Electromagnetic pulse Sources.]

    Penn State University

    December 16, 1996 9:00 a.m. EST

    Capturing Sprites and Elves From Afar

    San Francisco, Calif. -- A Penn State graduate student, sitting in a field in central Pennsylvania, is capturing a record of sprites and elves that were seen over northern Texas. Not the mythical creatures from a storybook, but these sprites and elves are optical phenomena that occur during some thunderstorms.

    "One night in August 1995, I sat in my truck in the middle of Penn State's Rock Springs farm and recorded the electromagnetic signals from events being videotaped in Colorado of a north Texas storm," says Lee Marshall, graduate student in electrical engineering. "I was on the cellular phone with Colorado and when a signature sprite waveform appeared on my equipment, I could hear the people in Colorado yell `sprite.'

    "Sprites are red, vertically oriented flashes of light caused by ionized nitrogen that appear above thunderheads and can rise from 30 up to 50 miles above the ground. They are 1 to 60 miles in diameter. Sprites last only a few tens of milliseconds.

    Elves are diffuse glows of ionized gas molecules that occur just below the ionosphere about 56 mile above the ground. Shorter-lived than sprites, they last for only a few hundred of microseconds.

    Sprites and elves can occur individually or together. Sprites can barely be seen with the naked eye and are easily photographed with low-light cameras. However, elves are fainter, and we require light amplification equipment to see them. The electromagnetic signature associated with them can also be recorded and analyzed.

    "All electromagnetic recordings of sprites and elves have a slow tail' in the direction that indicates positive' lightning," Marshall explained to attendees at the fall meeting of the American Geophysical Union meeting today (Dec. 16) in San Francisco. "But the difference between sprites and elves, electromagnetically, appears to be very complex."

    Not all thunderstorms produce sprites or elves. Small and short-duration, storms like those in Florida do not. It takes a regional-size thunderstorm or mesoscale storm to cause these phenomena, and when they occur, it is on the trailing edge of the storm.

    Not all lightning produces sprites and elves. Only 40 percent of lightning is cloud-to-ground discharge and only 5 to 10 percent of cloud-to-ground lightning is positive lightning. Of this small number of positive cloud-to-ground lightning strokes, only about 10 percent create elves and sprites.

    Marshall, working with Dr. L. C. Hale, professor emeritus of electrical engineering and Dr. C. L. Croskey, professor of electrical engineering, at Penn State and Dr. W.A. Lyons of FMA Research Inc., Ft. Collins, Colo., is capturing the radio wave pattern of these optical phenomena with a system that automatically triggers an alert when a sprite/elve pattern appears and captures the signal.

    "All elves and sprites have a typical wave pattern with a slow tail," says Marshall. "But while all sprites and elves have this pattern, so do other lightning strikes that apparently do not generate elves and sprites."

    Researchers do not know how elves and sprites are formed or if the electromagnetic pattern is caused by the cloud-to-ground lightning, the elves and sprites, or a combination of everything.

    "There is a lot of electrical noise in the atmosphere," says Marshall. "These really low wavelength signals get caught between the Earth and the ionosphere as if they were in a waveguide and they can propagate around the globe. It is very difficult to take apart the signals."

    At frequencies of 150 Hertz, one cycle extends 1,300 miles from Texas to Pennsylvania.

    "Because of the distance, exact timing of the parts of the signal is not possible," says Marshall. "Next summer I will go out to Colorado so we can capture the electromagnetic signal up close."

    The project is funded by the National Science Foundation.

    Hopefully, this proximity will allow Marshall to time the electromagnetic signal to the visual phenomenon closely enough to determine if the lightning or the sprites and elves are the cause.

    According to Marshall, some people believe that the occurrences of sprites and elve events will increase with the temperature rise suggested by global warming theories. If so, a method of monitoring all the sprites and elves that occur each day around the globe could help monitor global warming. Because global optical monitoring of all sprites is difficult, even for satellites, Extremely Low Frequency(ELF) radio measurements, such as those being developed at Penn State, may be the best way of monitoring and counting sprites.

    BUITENAARDSE GEESTEN IN DE LUCHT

    "Het was het meest spectaculaire en onverwachte verschijnsel dat ik ooit heb gezien," schreef de Amerikaanse piloot John Hammerstrom in 1993 in zijn logboek. Hammerstrom, die over een onweersstorm boven Midden-Amerika vloog, zag vreemde bundels blauw licht omhoogschieten. Het leken wel blikkerende toeters, die met hun trompetvormige uiteinden uit de wolken staken. Bliksemontladingen waren het niet. Die had Hammerstrom tijdens zijn vluchten genoeg gezien. Nee, hier moest sprake zijn van een nieuw, en nog onbekend natuurverschijnsel!

    "Het wàs ook nieuw, want niemand wist nog iets van het bestaan," zegt meteoroloog Walter Lyons van ASTeR, een bureau voor atmosferisch onderzoek in Fort Collins, Colorado. "Er waren wel eens verhalen over mysterieuze, hoge bliksemontladingen in de stratosfeer. Maar vóór 1993 nam niemand die serieus. Ze werden beschouwd als reflecties of toegeschreven aan de verbeelding. Maar nu, na zo'n rapport van een ervaren waarnemer, moesten we wel bekennen dat ze bestaan. Het kan raar lopen in de wetenschap!"

    Wat had Hammerstrom gezien? Om dat na te gaan stapten Davis Sentman en Eugene Wescott in een tot een vliegend laboratorium ogebouwde DC-8 van de NASA. Het was juli 1993 en beide geofysici van de Universiteit van Alaska in Fairbanks wilden die 'blikkerende toeters' wel eens zien. Met behulp van zeer gevoelige zwart-wit camera's maakten ze 19 opnamen van stralenbundels die omhoogschoten uit de toppen van onweerswolken.

    Een jaar later kozen Sentman en Wescott opnieuw het luchtruim. Ditmaal met twee vliegtuigen die vijftig kilometer uit elkaar vlogen. Met kleurenvideocamera's filmden ze blauwkleurige stralenbundels. Maar tot hun grote verbazing flitsen daarboven ook nog eens grote, rode pluimen op. "Het was net Oud en Nieuw," zei Sentman terug op de grond. "Het leek wel of er Romeinse kaarsen waren aangestoken die rode ballen omhoogschoten." Zijn collega Wescott vergeleek de rode pluimen eerder met reusachtige kwallen: afgerond naar boven en met daaronder lange, sprieterige tentakels.

    Doordat Sentman en Wescott hun waarnemingen deden vanuit twee vliegtuigen, konden zij hoogten en afmetingen afleiden van de merkwaardige lichtverschijnselen. "Voordat we de die tweede keer de lucht ingingen, hadden anderen gespeculeerd over hoogten van hooguit 40 à 50 kilometer," zegt Sentman. "Niemand dacht dat het ook nog eens een ionosferisch verschijnsel kon zijn. Toch is dat wat wij maten. De rode ballen hadden diameters van zo'n 45 km en reikten tot maar liefst 90 km hoogte. De blauwe, blikkerende stralenbundels kwamen daarentegen maar 40 km hoog. Toch vormden die een spektakel op zich. Toen we de video-opnamen namaten, bleek dat zij vanuit de wolk omhoogschoten met snelheden van 70.000 tot 360.000 kilometer per uur!"

    Vanwege hun vorm en kleurverschil werden de rode ballen 'red sprites' genoemd: rode, boze geesten, trollen of kabouters. De blikkerende toeters kregen als naam 'blue jets', ofwel blauwe stralenbundels. Maar hoe uniek waren ze? In 1995 waren Sentman, Wescott Šn andere atmosferische onderzoekers uit Japan en de VS te gast bij de al in het begin van dit verhaal genoemde Walter Lyons in Colorado. Daar keken ze namelijk uit over de Great Plains en konden onweersstormen volgen van de Canadese grens tot Mexico.

    "Iedere nacht kun je vanuit onze achtertuin wel ergens een onweersstorm zien," had Lyons zijn bezoekers beloofd. Ze werden niet teleurgesteld. Bijna een half duizend 'rode, boze geesten' en zo'n vijftig blauwe stralenbundels werden vastgelegd. Maar alsof dat nog niet genoeg was, stuitten ze ook nog op een derde soort lichtverschijnsel.

    "We zagen ook nog eens zo'n vijftig afgeplatte schijven als van kernbomontploffingen," zegt Walter Lyons. "Ze flitsten aan en uit. Ze waren zeker 400 km breed, maar waren slechts zeer kort te zien. We noemden ze 'elves', of elfen. Dat is een acroniem (letterwoord) voor Emissions of Light and Very low frequency perturbations due to Electromagnetic pulse Sources

    .

    Al dat soort woordspelingen zijn natuurlijk wel leuk, maar wat zijn nu eigenlijk die rode, boze geesten, elfen (die ook rood kunnen zijn) en blauwe stralenbundels?

    "Hoewel ze te zien zijn boven onweersstormen, zijn het geen bliksemontladingen," zegt Sentman. "Bliksemontladingen doen zich immers voor doordat zich positieve en negatieve ladingen ophopen. Tussen een onweerswolk en de aarde of tussen verschillende delen van de onweerswolk onstaan zo spanningsverschillen. Op een gegeven moment wordt het spanningsverschil zo groot, dat de luchtweerstand wordt overwonnen en er een vonkoverslag plaatsvindt. Er stromen elektronen van bijvoorbeeld de wolk naar aarde en daarbij wordt de lucht explosief verhit. De temperatuur loopt op tot 30.000 °C; je ziet een flits van zichtbaar licht, maar neemt ook röntgenstraling waar en hoort een karakteristiek gekraak op de radio.

    "Misschien kunnen er nog wel ontladingen in de stratosfeer plaatsvinden. Dat is een theorie van C.T.R. Wilson uit 1925, die natuurlijk opnieuw in de belangstelling staat. Maar in de mesosfeer (luchtlaag van 50 tot 80 km hoogte) of ionosfeer (atmosferische laag boven 80 km hoogte): onmogelijk. Er kunnen daar slechts spanningsverschillen ontstaan van een paar volt per meter. Dat is nog geen tiende van wat nodig is om de luchtweerstand te overkomen en aanleiding te geven tot bliksemontladingen."

    Yuri Taranenko, van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico, denkt aan buitenaardse energie. Wat gebeurt er als hoog-energetische kosmische straling (in dit geval een gammastraal) een atoom treft in de hoge atmosfeer? De gammastraal slaat elektronen uit het atoom los. Die schieten weg met energieën van ongeveer één mega-elektronvolt en met de helft van de lichtsnelheid. Zij botsen weer op andere atomen, hebben hetzelfde effect en zo onstaat een sproeiregen van geladen deeltjes.

    Tot dusver niets bijzonders. Kosmische straling schiet immers voortdurend door onze atmosfeer. Maar boven de positief geladen toppen van een onweersstorm kan zich hogerop een tegengestelde, negatieve lading vormen. Als de onweerswolk zich door een bliksemschicht ontlaadt, raakt die negatieve lading geïsoleerd.

    Op die manier ontstaat een spanningsverschil met de nog veel hoger gelegen ionosfeer. En op dat moment schiet er toevallig een kosmische gammastraal voorbij. De elektronen die door zijn passage vrijkomen, schieten nu als in een elektrische stroom omhoog. Ze botsen tegen stikstofmoleculen in de lucht en brengen de elektronen daarvan naar een hoger energieniveau. Als die weer terugvallen, komt er straling vrij. Rood als het noorderlicht op grote hoogten, en blauw op lagere hoogten.

    Zijn de raadselachtige lichtverschijnselen daarmee helemaal verklaard? Nee, want vorig jaar ontdekte Gerry Fishman van het Marshall Space Flight Center intense gammasstraling met behulp van het Compton Gamma Ray Observatory. Die satelliet was gelanceerd voor het waarnemen van gammastralingsbronnen in de ruimte, maar nam nu gammastralingsuitbarstingen op ongeveer 30 km hoogte in onze dampkring aarde waar! Komen die ook van de blauwe stralenbundels, elfen of boze geesten?

    Een vastgesteld feit is, dat negen van de tien 'boze geesten' opflitsen na zeer zeldzame, 'positieve superschichten', waarbij elektronen helemaal vanaf van het aardoppervlak naar de hoogste wolkentoppen schieten. Daarbij gaat het om grotere afstanden en dus ook om grotere spanningsverschillen. Volgens sommige onderzoekers ruim voldoende om zònder kosmische straling de lichtverschijnselen op gang te brengen.

    "Het mooiste zou zijn de hoge atmosfeer met een vloot van ballonnen met deeltjesdetectors daaraan in de gaten te houden," zegt Davis Sentman. "Dan kun je nagaan of je zeer snelle elektronen opvangt en dus of je te maken hebt met een kosmische stralingseffect."

    Lang zal de ontraadseling waarschijnlijk niet duren, want sinds oktober vorig jaar houdt ook de US Air Force zich met de lichtverschijnselen bezig. Omdat het elektrische verschijnselen zijn, kunnen ze immers wel eens hinder veroorzaken bij met allerlei sensors uitgeruste militaire vliegtuigen, raketten en satellieten. En wat gebeurt er als een space shuttle omhooggaat en er net een boze geest verschijnt? Niet veel waarschijnlijk. Maar wie wil de eerste astronaut zijn die door een elf of boze geest vliegt, om pas dàn uit te vinden of ze gevaarlijk zijn of niet?

    Tekst: Carl Koppeschaar

    Terug naar ASTRONET's home page