Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Ivana Kolmašová Blýská se ... Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, Vol. 60 (2015), No. 2, 123–132

Persistent URL: http://dml.cz/dmlcz/144406

Terms of use: © Jednota českých matematiků a fyziků, 2015 Institute of Mathematics of the Czech Academy of Sciences provides access to digitized documents strictly for personal use. Each copy of any part of this document must contain these Terms of use. This document has been digitized, optimized for electronic delivery and stamped with digital signature within the project DML-CZ: The Czech Digital Mathematics Library http://dml.cz

Blýská se . . . Ivana Kolmaˇsov´ a, Praha

Blesk: pˇr´ırodn´ı jev tak bˇeˇzn´ y a z´ aroveˇ n tak tajemn´ y. Prováz´ı nás odedávna, fascinuje n´ as svˇeteln´ ymi a zvukov´ ymi efekty, které ho provázej´ı, boj´ıme se jeho s´ıly. V´ıme uˇz v´ıce neˇz ˇctvrt tis´ıcilet´ı, ˇze blesk je elektrick´ y v´ yboj. V´ıme jiˇz o blesc´ıch vˇse? Je to neuvˇeˇritelné, ale st´ ale jeˇstˇe pˇresnˇe nev´ıme, jak blesk v bouˇrkovém oblaku vzniká. Jeho ohromnou energii neum´ıme vyuˇz´ıt. Barevné nadoblaˇcné blesky neboli elektrické v´ yboje, které se obˇcas objevuj´ı nad bouˇrkov´ ymi oblaky a které mohou sahat aˇz k hranici ionosféry, jsme zaˇcali zkoumat aˇz v devadesát´ ych letech minulého stolet´ı. Kam jsme se posunuli od dob Benjamina Franklina a Prokopa Diviˇse? 1. Z historie Blesky existovaly na Zemi oded´ avna. V p´ıskovcov´ ych skalách ve skotském Arranu byly nalezeny geologické kusové u ´tvary 250 milión˚ u let staré, tzv. bleskovce (fulgurity), které vznikly roztaven´ım kˇremiˇcit´ ych ˇc´ astic pˇri u ´deru blesku a jejich opˇetovn´ ym ztuhnut´ım [8]. Podobné u ´tvary jsou k nalezen´ı i na jin´ ych p´ısˇcit´ ych a skalnat´ ych m´ıstech. Naˇsi pˇredkové, blesky a hromy vystraˇseni i ohromeni, pˇrisoudili jejich p˚ uvod ˇ ˇ ımané Jupitera, r˚ uzn´ ym boˇzstv˚ um. Starovˇec´ı Rekov´ e mˇeli svého hromovládného Dia, R´ Vikingové Th´ ora, Slované Peruna, keltsk´ y b˚ uh hromu se jmenoval Taranis a staroindick´ y Rudra. To vˇse se zmˇenilo za jedné letn´ı bouˇrky roku 1752, kdy americk´ y vydavatel, pˇr´ırodovˇedec, spisovatel a st´ atn´ık Benjamin Franklin uskuteˇcnil znám´ y pokus s pap´ırov´ ym drakem opatˇren´ ym kovov´ ym hrotem, konopn´ ym provázkem, kl´ıˇcem a leidenskou lahv´ı. Uk´ azal, ˇze blesk je v podstatˇe elektrick´ y v´ yboj a ˇze vzniká v bouˇrkovém oblaku. Pˇripadl také na myˇslenku moˇzné ochrany pˇred bleskem, a to pravdˇepodobnˇe zcela nez´ avisle na ˇceském katolickém knˇezi, teologovi, pˇr´ırodovˇedci, léˇciteli, hudebn´ıkovi a vyn´ alezci Prokopu Diviˇsovi. Nen´ı totiˇz zn´ amo, ˇze by byl Franklin v nˇejakém osobn´ım ˇci p´ısemném styku s badateli ze stˇredn´ı a v´ ychodn´ı Evropy. Prokop Diviˇs postavil v roce 1754 na farské zahradˇe v Pˇr´ımˇetic´ıch u Znojma prvn´ı uzemnˇen´ y bleskosvod na svˇetˇe. Diviˇs˚ uv bleskosvod tvoˇrila soustava asi ˇctyˇr stovek kovov´ ych hrot˚ u uloˇzen´ ych do nˇekolika uzemnˇen´ ych kovov´ ych krabic pln´ ych ˇzelezn´ ych pilin a um´ıstˇen´ ych na stoˇzáru ´ vysokém nˇekolik metr˚ u. Ukolem soustavy bylo odsávat elektˇrinu z bouˇrkov´ ych oblak˚ u a pˇredch´ azet t´ım ˇskod´ am zp˚ usoben´ ym u ´dery blesk˚ u. Diviˇs uvaˇzoval i o tom, ˇze by mohl elektˇrinu z blesk˚ u uchovat a d´ ale pouˇz´ıt [9]. Diviˇs˚ uv bleskosvod skonˇcil ponˇekud neslavnˇe, kdyˇz mu ho rozl´ıcen´ı vesniˇcané povalili v domnˇen´ı, ˇze zp˚ usobil velká sucha. Franklin˚ uv bleskosvod se nakonec ujal v nepˇr´ıliˇs pozmˇenˇené podobˇe poté, co vynálezce pˇresvˇedˇcil m´ıstn´ı radn´ı, ˇze sveden´ım blesk˚ u do zemˇe opravdu nevznikne zemˇetˇresen´ı.

´ ˇ ´ , Ph.D., Ustav Ing. Ivana Kolmaˇ sova fyziky atmosféry AV CR, v. v. i., Boˇcn´ı II 1401, 141 31 Praha 4 – Spoˇrilov, e-mail: [email protected]

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2

123

Aˇz do zaˇc´ atku minulého stolet´ı nebyly jiné prostˇredky pro pozorován´ı blesk˚ u neˇz fotografické a jednoduché spektrografické metody. Prvn´ı záznamy elektromagnetick´ ych sign´ al˚ u vyz´ aˇren´ ych bleskov´ ymi v´ yboji poch´ azej´ı ze tˇricát´ ych a ˇctyˇricát´ ych let minulého stolet´ı. Modern´ı éra mˇeˇren´ı optick´ ych, elektrick´ ych a magnetick´ ych signál˚ u s mikrosekundovou a submikrosekundovou pˇresnost´ı zaˇcala aˇz v sedmdesát´ ych letech minulého stolet´ı s v´ yvojem dostateˇcnˇe rychl´ ych elektronick´ ych obvod˚ u [13]. 2. Terminologie Vzhledem k tomu, ˇze nen´ı mnoho ˇcesk´ ych publikac´ı zab´ yvaj´ıc´ıch se atmosférickou elektˇrinou, pˇrevzala jsem nˇekteré term´ıny z [2] a nˇekteré jsem si dovolila novˇe vytvoˇrit. Anglické verze ˇcesk´ ych term´ın˚ u jsou pro pˇrehlednost vˇzdy uvedeny v závorce za pˇr´ısluˇsn´ ym ˇcesk´ ym term´ınem. Cel´ y studovan´ y pˇr´ırodn´ı jev se naz´ yv´ a blesk (lightning flash). Blesk se vˇetˇsinou skl´ ad´ a z ˇrady bleskov´ ych v´ yboj˚ u (lightning strokes) následuj´ıc´ıch rychle za sebou s odstupy des´ıtek aˇz stovek milisekund. F´ aze vzniku bleskového v´ yboje v bouˇrkovém oblaku se naz´ yv´ a iniciaˇcn´ı f´ aze (preliminary breakdown). Dalˇs´ı fáz´ı blesku je tzv. v˚ udˇc´ı v´ yboj (leader), kter´ y postupnˇe v kroc´ıch (stepped leader) vytváˇr´ı kanál vysoce ionizovaného a zahˇr´ atého vzduchu. F´ aze, ve které vytvoˇren´ ym kanálem proteˇce znaˇcnˇe velk´ y proud o velikosti des´ıtek aˇz stovek kiloampér˚ u, se naz´ yvá zpˇetn´ y v´ yboj (return stroke). Obˇcas z˚ ustane bleskov´ y kan´ al mezi jednotliv´ ymi bleskov´ ymi v´ yboji ionizován a proték´ a j´ım tzv. udrˇzovac´ı proud (continuing current) o velikosti stovek ampér˚ u aˇz jednotek kiloampér˚ u. Procesy odehr´ avaj´ıc´ı se v mraku mezi jednotliv´ ymi bleskov´ ymi v´ yboji se naz´ yvaj´ı K a M zmˇeny (K-changes, M-components). 3. Bouˇ rkov´ y oblak a jeho elektrifikace Bouˇrkov´ y oblak neboli cumulonimbus je m´ıstem, kde bleskov´ y v´ yboj vzniká. Bouˇrkov´ y oblak m´ a vertik´ aln´ı rozsah nejménˇe nˇekolik kilometr˚ u a má tvar vysoké vˇeˇze s horn´ı parti´ı protaˇzenou ve smˇeru v´ yˇskového proudˇen´ı vˇetru, takˇze sv´ ym tvarem pˇripom´ıná kovadlinu. Horn´ı okraj bouˇrkového oblaku dosahuje aˇz k tropopauze, nˇekdy m˚ uˇze dokonce pror˚ ustat i nad n´ı. Tropopauza je hranice mezi troposférou a stratosférou; je to m´ısto, kde pˇrestane teplota vzduchu s v´ yˇskou klesat. Tropopauza je um´ıstˇena v naˇsich zemˇepisn´ ych ˇs´ıˇrk´ ach ve v´ yˇsce okolo 11 km, v rovn´ıkov´ ych oblastech dosahuje aˇz v´ yˇsky 18 km nad hladinou moˇre. V bouˇrkovém oblaku se v r˚ uzn´ ych v´ yˇskách nacházej´ı oblaˇcné ˇc´ astice r˚ uzného druhu, jako jsou vodn´ı kapky, pˇrechlazená voda, snˇehové vloˇcky, snˇehové krupky (2–5 mm), ledové krupky (2–5 mm) nebo kroupy (> 5 mm). Tyto oblaˇcné ˇc´ astice se v bouˇrkovém oblaku pohybuj´ı smˇerem vzh˚ uru p˚ usoben´ım stoupav´ ych vzduˇsn´ ych proud˚ u a padaj´ı dol˚ u vlivem gravitace. Na oblaˇcné ˇcástice se pˇripojuj´ı nosiˇce elektrického n´ aboje, pˇr´ıtomné v atmosféˇre d´ıky ionizaci zp˚ usobené kosmick´ ym z´ aˇren´ım a radioaktivn´ım z´ aˇren´ım pocházej´ıc´ım od radioaktivn´ıch prvk˚ u v zemi. Lehˇc´ı ˇc´ astice se nab´ıjej´ı pˇrev´ aˇznˇe kladnˇe, tˇeˇzˇs´ı se nab´ıjej´ı pˇreváˇznˇe zápornˇe a pˇri pohybu nahoru a dol˚ u si neinduktivn´ım zp˚ usobem (pˇr´ım´ ym dotykem) pˇredávaj´ı elektrick´ y n´ aboj. T´ım se v oblaku vytvoˇr´ı vrstvy oblaˇcn´ ych ˇcástic maj´ıc´ıch stejn´ y n´ aboj. Nejjednoduˇsˇs´ı model bouˇrkového oblaku má pak ve své horn´ı ˇcásti centrum kladného n´ aboje a ve spodn´ı ˇc´ asti centrum z´ aporného náboje. Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı je 124


Obr. 1. Rozloˇzen´ı n´ abojov´ ych center v bouˇrkovém oblaku; kladn´ y n´ aboj je zn´ azornˇen kˇr´ıˇzky, z´ aporn´ y vodorovn´ ymi ˇca ´rkami (pˇrevzato z http://www.nssl.noaa.gov/education/ svrwx101/lightning/types/).

tzv. tˇr´ıp´ olov´ y model, kter´ y kromˇe hlavn´ıho centra záporného náboje a horn´ıho centra kladného n´ aboje obsahuje jeˇstˇe spodn´ı centrum kladného náboje. Balónová mˇeˇren´ı [18] ukazuj´ı, ˇze rozloˇzen´ı n´ aboje v bouˇrkovém oblaku je mnohem sloˇzitˇejˇs´ı (obr. 1); ve stoupavém proudu vzduchu (updraft) zaznamenaly pˇr´ıstroje ˇctyˇri nábojová centra a mimo stoupav´ y proud vzduchu dokonce ˇsest n´ abojov´ ych center. Bouˇrkov´ y oblak je souˇc´ ast´ı pomˇernˇe sloˇzitého systému atmosférick´ ych dˇej˚ u prob´ıhaj´ıc´ıch mezi zemsk´ ym povrchem a ionosférou, coˇz je vnˇejˇs´ı ionizovaná ˇcást atmosféry. Bouˇrkov´ y oblak pln´ı v tomto systému vlastnˇe funkci obˇr´ı baterie. Elektrick´ a pole namˇeˇren´ a uvnitˇr bouˇrkového oblaku dosahuj´ı maximálnˇe hodnot 1–2·105 V/m, coˇz je hodnota desetkr´ at menˇs´ı, neˇz je oˇcekávané pr˚ urazné napˇet´ı pro vznik v´ yboje ve vzduchu [19]. Tento rozpor z˚ ustává stále hádankou. Na vzniku bleskového v´ yboje se m˚ uˇze pod´ılet vysokoenergetické kosmické záˇren´ı, které se sráˇz´ı s ˇc´ asticemi zemské atmosféry. Sr´ aˇzkami vznikaj´ı dalˇs´ı a dalˇs´ı ˇcástice a v´ ysledkem je sprˇska tzv. sekund´ arn´ıho kosmického z´ aˇren´ı, která obsahuje také elektrony s energiemi vyˇsˇs´ımi neˇz 100 keV. Takto rychlé elektrony se málo sráˇz´ı s okoln´ımi ˇcásticemi a st´ avaj´ı se tzv. ub´ıhaj´ıc´ımi (runaway) elektrony, nebot’ urychluj´ıc´ı s´ıla elektrického pole bouˇrkového oblaku pˇrevl´ adne nad brzdnou silou zp˚ usobenou sráˇzkami. Ub´ıhaj´ıc´ı rychlé elektrony se tu a tam sraz´ı s ˇc´ asticemi atmosféry a vyrob´ı dalˇs´ı ub´ıhaj´ıc´ı elektrony. Lavina ub´ıhaj´ıc´ıch elektron˚ u lok´ alnˇe dostateˇcnˇe zvyˇsuje ionizaci prostˇred´ı Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2

125

Obr. 2. Mapa ukazuj´ıc´ı pr˚ umˇern´ y roˇcn´ı poˇcet blesk˚ u na jeden ˇctvereˇcn´ı kilometr. Mapa byla vytvoˇrena na z´ akladˇe dat namˇeˇren´ ych druˇzicemi NASA v letech 1995–2002 (pˇrevzato z http://geology.com/articles/lightning-map.shtml).

v bouˇrkovém oblaku a u ´ˇcinnˇe sniˇzuje (aˇz desetkrát) potˇrebné pr˚ urazné napˇet´ı vzduchu [6]. Podle jiné teorie je bleskov´ y v´ yboj nastartován koronov´ ym v´ ybojem objevuj´ıc´ım se na hrotech taj´ıc´ıch ledov´ ych oblaˇcn´ ych ˇcástic, okolo kter´ ych je lokálnˇe zv´ yˇsené elektrické pole [17]. Podle [7] by mohly b´ yt za vznik blesku zodpovˇedné oba v´ yˇse uvedené procesy. Kosmické z´ aˇren´ı spust´ı v oblaku lavinovitou ionizaci a uvolnˇené elektrony se pak pod´ıl´ı na vzniku koronov´ ych v´ yboj˚ u na hrotech ledov´ ych oblaˇcn´ ych ˇc´ astic. Rozloˇzen´ı bouˇrek na zemi nen´ı rovnomˇerné. Nejv´ıce bouˇrek se vyskytuje v niˇzˇs´ıch zemˇepisn´ ych ˇs´ıˇrk´ ach nad pevninami, kde je dostateˇcnˇe dobˇre splnˇena základn´ı podm´ınka vzniku bouˇrkového oblaku, totiˇz velké rozd´ıly mezi teplotami mas vzduchu v r˚ uzn´ ych v´ yˇsk´ ach, které vedou k v´ yskytu vzestupn´ ych proud˚ u teplého a vlhkého vzduchu a sestupn´ ych proud˚ u studeného vzduchu. V centráln´ı a západn´ı Africe, v rovn´ıkové oblasti Jiˇzn´ı Ameriky, ve Stˇredn´ı Americe a v jihov´ ychodn´ı Asii bychom naˇsli m´ısta, kde intenzita bouˇrek dosahuje hodnoty aˇz des´ıtek blesk˚ u na 1 km2 roˇcnˇe (obr. 2). 4. Typy bleskov´ ych v´ yboj˚ u Kaˇzdou sekundu se na Zemi zabl´ yskne v pr˚ umˇeru padesátkrát aˇz stokrát a bouˇrky v kaˇzdém okamˇziku pokr´ yvaj´ı asi 1 % zemského povrchu [13]. Prost´ ym pohledem na oblohu za bouˇrky zjist´ıme, ˇze blesky maj´ı nejr˚ uznˇejˇs´ı tvary. Nˇekdy jsou bohatˇe rozvˇetvené, jindy jen vidlicovité, svislé ˇci vodorovné, ménˇe ˇcasto jsou hladké, existuj´ı i blesky pˇripom´ınaj´ıc´ı sv´ ym tvarem stuˇzku, pavuˇcinu nebo korálky na ˇsn ˇ˚ urce. 126


Rozliˇsujeme tzv. blesky oblak-oblak, tj. v´ yboje mezi kladn´ ymi a záporn´ ymi nábojov´ ymi centry téhoˇz bouˇrkového oblaku nebo r˚ uzn´ ych oblak˚ u a tzv. blesky oblak-zemˇe. Nejˇcastˇejˇs´ı blesky oblak-zemˇe jsou v´ yboje mezi centrem záporného náboje a zem´ı (90–95 %). Ménˇe ˇcasto se vyskytuj´ı v´ yboje mezi centrem kladného náboje a zem´ı. V´ yboje mezi centrem z´ aporného n´ aboje a zem´ı naz´ yváme blesky se zápornou polaritou neboli z´ aporné blesky; v´ yboje mezi centrem kladného náboje a zem´ı povaˇzujeme za blesky s kladnou polaritou neboli kladné blesky. Kladné blesky jsou nejen ménˇe obvyklé, ale jsou s nimi spojeny i dalˇs´ı zaj´ımavé jevy. Obˇcas se kladn´ y blesk ˇs´ıˇr´ı oblakem i nˇekolik kilometr˚ u vodorovnˇe a opust´ı oblak v jeho horn´ı, vˇetrem protaˇzené ˇcásti, která pˇresahuje z´ akladnu neboli dno oblaku. Pozorovateli se pak m˚ uˇze zdát, ˇze blesk udeˇril z ˇcistého nebe“. Kladné blesky b´ yvaj´ı také ˇcastˇeji následovány tzv. nadoblaˇcn´ ymi ” blesky, kter´ ym vˇenujeme samostatnou kapitolu. Tajemn´ y kulov´ y blesk si také zaslouˇz´ı vlastn´ı kapitolu. 5. Bleskov´ y v´ yboj a jeho ˇ c´ asti Nejbˇeˇznˇejˇs´ı bleskov´ y v´ yboj je z´ aporn´ y v´ yboj typu oblak-zemˇe. V´ yvoj takového v´ yboje je zn´ azornˇen na obr´ azku 3. V ˇcase t = 0 jsou v bouˇrkovém oblaku vytvoˇrena pˇr´ısluˇsná n´ abojov´ a centra a zaˇc´ın´ a iniciaˇcn´ı f´ aze, bˇehem které se uvnitˇr oblaku zaˇcne (z dosud

Obr. 3. Typick´ y ˇcasov´ y v´ yvoj bleskového v´ yboje typu oblak-zemˇe (autorka, adaptov´ ano podle [13])


127

ne zcela jasn´ ych pˇr´ıˇcin, jak bylo zm´ınˇeno v pˇredchoz´ı kapitole) rodit bleskov´ y v´ yboj a postupuje v kroc´ıch pˇrev´ aˇznˇe smˇerem dol˚ u. Ménˇe ˇcasto se m˚ uˇze ˇs´ıˇrit i horizontálnˇe. Tato ˇc´ ast bleskového v´ yboje je zat´ım pomˇernˇe málo prozkoumaná. V ˇcase t = 1.1 ms v´ yboj opust´ı bouˇrkov´ y oblak, stává se z nˇej tzv. v˚ udˇc´ı v´ yboj, kter´ y skokovˇe ionizuje vzduch a vytv´ aˇr´ı vodivou cestu. Pr˚ umˇerná rychlost v˚ udˇc´ıho v´ yboje je ∼ 105 –106 m/s [14], proték´ a j´ım elektrick´ y proud o velikosti nˇekolika des´ıtek ampér˚ u a jednotlivé skoky jsou vˇetˇsinou des´ıtky metr˚ u dlouhé. Jakmile se v˚ udˇc´ı v´ yboj pˇribl´ıˇz´ı zemi, zaˇcne se velmi ˇcasto od nˇejakého vyv´ yˇseného pˇredmˇetu, nacházej´ıc´ıho se na zemi, ˇs´ıˇrit smˇerem vzh˚ uru tzv. vstˇr´ıcn´ y v´ yboj. Spoj´ı-li se jejich ionizované cesty (na obr´ azku 3 v ˇcase t = 20 ms), vznikne vodiv´ y kanál mezi zem´ı a oblakem, kter´ ym se vz´ apˇet´ı (t = 20.1 ms) ˇs´ıˇr´ı mohutn´ y zpˇetn´ y v´ yboj smˇerem vzh˚ uru rychlost´ı aˇz tˇretiny velikosti rychlosti svˇetla. V˚ udˇc´ı v´ yboj tedy vytv´ aˇr´ı vodivé spojen´ı mezi oblakem a zem´ı, pˇriˇcemˇz zanech´ av´ a ve vodivém kan´ ale z´ aporn´ y náboj z bouˇrkového oblaku. Zpˇetn´ y v´ yboj poté na své cestˇe vzh˚ uru n´ aboj neutralizuje. Takov´ ym zp˚ usobem vlastnˇe v˚ udˇc´ı a zpˇetn´ y v´ yboj spoleˇcn´ ymi silami pˇrenesou z´ aporn´ y náboj z oblaku na zem. Vodiv´ y kan´ al je ˇsirok´ y aˇz deset centimetr˚ u, teplota v nˇem dosahuje aˇz 30 000 ◦ C, a protéká j´ım elektrick´ y proud o velikosti des´ıtek aˇz stovek kiloampér˚ u. Poté z˚ ustává ˇcasto kanál i nad´ ale m´ırnˇe vodiv´ y a proték´ a j´ım udrˇzovac´ı proud. Pokud je v bouˇrkovém oblaku jeˇstˇe dost nashrom´ aˇzdˇeného n´ aboje, tak n´ asleduje dalˇs´ı v˚ udˇc´ı v´ yboj ˇs´ıˇr´ıc´ı se dol˚ u obvykle spojitˇe bez skok˚ u (na obr´ azku 3 v ˇcase t = 60 ms) a dalˇs´ı tzv. následn´ y zpˇetn´ y v´ yboj (v ˇcase t = 62.5 ms). Obvykl´ y poˇcet zpˇetn´ ych v´ yboj˚ u v jednom blesku je 3–5, byly pozorov´ any i blesky obsahuj´ıc´ı aˇz 26 zpˇetn´ ych v´ yboj˚ u [13]. ˇ ast bleskového Bleskov´ y v´ yboj je vdˇeˇcn´ ym objektem fotograf˚ u a kameraman˚ u. C´ v´ yboje zahrnuj´ıc´ıho v˚ udˇc´ı v´ yboj, zpˇetn´ y v´ yboj a fázi udrˇzovac´ıho proudu zaznamenaná vysokorychlostn´ı kamerou v Praze je vidˇet na obrázku 4.

Obr. 4. Blesk zaznamenan´ y vysokorychlostn´ı kamerou: a), b), c) postupuj´ıc´ı v˚ udˇc´ı v´ yboj; d) zpˇetn´ y v´ yboj vedouc´ı k saturaci ˇcidla kamery; e) v bleskovém kan´ alu teˇce udrˇzovac´ı proud ´ ˇ (natoˇcil R. L´ an, Ustav fyziky atmosféry Akademie vˇed CR)

6. Pˇ rechodn´ e svˇ eteln´ eu ´ kazy Pˇrechodné svˇetelné u ´kazy (Transient Luminous Events, TLEs) neboli nadoblaˇcné blesky jsou optické jevy pozorované nad oblastmi se silnou bouˇrkovou aktivitou v ˇsiro128


Obr. 5. Pˇrechodné svˇetelné u ´kazy zakreslené ve v´ yˇsk´ ach, kde se obvykle vyskytuj´ı; v pravé ˇca ´sti obr´ azku je zn´ azornˇena v´ yˇskov´ a z´ avislost teploty v atmosféˇre (pˇrevzato z http://www.isas.jaxa.jp/).

kém rozmez´ı v´ yˇsek mezi vrˇsky bouˇrkov´ ych oblak˚ u a spodn´ı hranic´ı ionosféry (60–90 km podle denn´ı ˇci noˇcn´ı doby). Unikaly pomˇernˇe dlouho naˇs´ı pozornosti, pˇrestoˇze jsou nˇekteré z nich pozorovatelné prost´ ym okem. Vˇedci se jimi zaˇcali intenzivnˇe zab´ yvat aˇz po roce 1990. Existuje ˇsest z´ akladn´ıch druh˚ u pˇrechodn´ ych svˇeteln´ ych u ´kaz˚ u; jejich n´ azvy n´ am mohou zn´ıt aˇz poh´ adkovˇe. Nad rozs´ ahl´ ymi bouˇrkami se tak m˚ uˇze objevit tˇreba ˇcerven´ y skˇr´ıtek (red sprite), halo, modr´ y spouˇstˇeˇc (blue starter), modr´ y v´ ytrysk (blue jet), obˇr´ı v´ ytrysk (gigantic jet) anebo elf [11]. Rodina nadoblaˇcn´ ych blesk˚ u vˇcetnˇe v´ yˇsky jejich obvyklého v´ yskytu je na obr´ azku 5. Nejbˇeˇznˇejˇs´ım typem nadoblaˇcného blesku je ˇcerven´ y skˇr´ıtek. Je opravdu zbarven ˇcervenˇe a má obvykle podobu sloupce, mrkve nebo vypad´ a jako med´ uza. Poprvé a vlastnˇe náhodou skˇr´ıtky natoˇcil mlad´ y vˇedec R. Franz v Minnesotské prérii pˇred necel´ ymi 30 lety [4], kdyˇz chtˇel p˚ uvodnˇe testovat kameru urˇcenou na pozorov´ an´ı pol´ arn´ıch záˇr´ı a nam´ıˇril ji nad rozsáhl´ y systém bouˇrkov´ ych bunˇek (Mesoscale Convective System, MCS). Skˇr´ıtci se vyskytuj´ı nejˇcastˇeji ve v´ yˇsce 60–90 km nad povrchem zemˇe, velc´ı skˇr´ıtci mohou b´ yt i v´ıce neˇz 40 km ˇsiroc´ı. Pˇredch´ az´ı je obvykle siln´ y kladn´ y blesk typu oblak-zemˇe. Ve srovn´ an´ı s plnˇe ionizovan´ ym kan´ alem obyˇcejného“ blesku jsou vlásky“ ” ” ˇci koˇr´ınky“ skˇr´ıtk˚ u jen slabˇe ionizov´ any. Halo je svˇeteln´ yu ´kaz tvaru disku, kter´ y b´ yvá ” ˇcasto n´ asledov´ an skˇr´ıtkem a vypad´ a, jako by z nˇej skˇr´ıtek vylézal. Ménˇe obvykl´ y modr´ y v´ ytrysk je kuˇzel modrého svˇetla ˇs´ıˇr´ıc´ı se vzh˚ uru z vrˇsku oblaku do v´ yˇsky asi 40 km rychlost´ı 100 km/s [11]. Obˇr´ı v´ ytrysky jsou vˇetˇsinou dvojbarevné, ve spodn´ı ˇcásti modré a v horn´ı ˇcervené. Barva je d´ ana typem molekul nebo atom˚ u, které jsou v´ ybojem vybuzeny a vyz´ aˇr´ı pak svˇetlo pˇr´ısluˇsné vlnové délky. Obˇr´ı v´ ytrysky se objevuj´ı nad Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2

129

vrˇskem oblaku a mohou dosahovat aˇz do v´ yˇsek 90 km. Velmi ˇcasto jsou doprovázeny znaˇcnou sv´ıtivost´ı bouˇrkového oblaku, ze kterého vycházej´ı. Elfové (Emissions of Light and Very low frequency perturbations from Electromagnetically pulsed Sources) jsou pokl´ ad´ any za nejrychlejˇs´ı a nejvˇetˇs´ı pˇrechodné svˇetelné u ´kazy. Objevuj´ı se ve v´ yˇskách kolem 100 km a rychle se ˇs´ıˇr´ı jako zvˇetˇsuj´ıc´ı se kruh do vzdálenosti stovek kilometr˚ u. Jejich zdrojem jsou elektromagnetické impulsy generované siln´ ymi bleskov´ ymi v´ yboji. Elektrony ve spodn´ı ˇc´ asti ionosféry, ohˇr´ até tˇemito impulsy, se sráˇz´ı s molekulami dus´ıku, které jsou tak vybuzeny a vyz´ aˇr´ı expanduj´ıc´ı svˇeteln´ y kruh [5], [1]. Pˇrechodné svˇetelné u ´kazy bude z v´ yˇsky 700 km pozorovat druˇzice TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIng and Sprites) pojmenovaná podle keltského boha hromu. Jej´ı start je napl´ anov´ an na konec roku 2017 (bliˇzˇs´ı informace jsou k nalezen´ı na http://smsc.cnes.fr/TARANIS/). Na své palubˇe ponese unikátn´ı sadu pˇr´ıstroj˚ u vˇcetnˇe ˇceského ˇsirokospektr´ aln´ıho analyzátoru radiov´ ych vln a elektronového detektoru. 7. Pozemsk´ e gama z´ ablesky Pozemské gama z´ ablesky (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGFs) byly objeveny neoˇcek´ avanˇe v roce 1994 rentgenov´ ym detektorem um´ıstˇen´ ym na druˇzici COMPTON. Vˇsechny pozorované z´ ablesky vych´ azely ze zemské atmosféry, m´ıˇrily do vesm´ıru a trvaly stovky mikrosekund aˇz nˇekolik milisekund. Ukázalo se, ˇze tyto pozemské záblesky jsou mnohem kratˇs´ı neˇz jiné jevy prov´ azené gama záˇren´ım a pˇricházej´ıc´ı z kosmu [16]. Na v´ yzkumu z´ ablesk˚ u se také v´ yraznˇe pod´ılela druˇzice RHESSI, p˚ uvodnˇe urˇcená k pozorov´ an´ı rentgenového a gama z´ aˇren´ı poch´ azej´ıc´ıho ze sluneˇcn´ıch erupc´ı. Detektor na druˇzici RHESSI zaznamenal fotony s energii pˇres 10 MeV, tedy energetiˇctˇejˇs´ı fotony, neˇz pˇrich´ azej´ı ze sluneˇcn´ıch z´ ablesk˚ u. Uk´ azalo se dále, ˇze pozemské gama záblesky byly pozorov´ any v´ yhradnˇe nad oblastmi s intenzivn´ı bouˇrkovou aktivitou. Mechanismus vzniku gama z´ ablesk˚ u zjevnˇe souvis´ı se siln´ ym elektrick´ ym polem, pˇr´ıtomn´ ym v bouˇrkovém oblaku pˇred u ´derem blesku. Podle nedávn´ ych pozorován´ı [15] doprovázej´ı pozemské gama z´ ablesky pravdˇepodobnˇe skoky v˚ udˇc´ıho v´ yboje bˇeˇzného blesku typu oblak-oblak v poˇc´ ateˇcn´ıch f´ az´ıch jeho pohybu smˇerem vzh˚ uru od centra záporného n´ aboje k centru kladného n´ aboje. 8. Kulov´ y blesk Kulov´ y blesk je tajemn´ y pˇr´ırodn´ı u ´kaz, kter´ y se zat´ım nepodaˇrilo uspokojivˇe vysvˇetlit. Z v´ ypovˇed´ı oˇcit´ ych svˇedk˚ u, pravdˇepodobnˇe ovlivnˇen´ ych v´ yjimeˇcnost´ı situace, nelze vyvodit, jak kulov´ y blesk vznik´ a a jaké m´ a vlastnosti. Podle doloˇzen´ ych svˇedectv´ı maj´ı pozorované objekty tvar b´ılé, ˇzluté, oranˇzové ˇci namodralé koule o pr˚ umˇeru nˇekolika jednotek aˇz des´ıtek centimetr˚ u. Vˇetˇsinou pluj´ı vzduchem rychlost´ı 0.1–10 m/s a ˇcasto se pohybuj´ı podél vodiv´ ych pˇredmˇet˚ u. Cel´ yu ´kaz trvá 10–20 sekund, pak se potichu ˇci hluˇcnˇe rozpadaj´ı. 50 % kulov´ ych blesk˚ u se rozpad´ a v´ ybuchem, 40 % pomalu se syˇcen´ım, 10 % se rozpad´ a na menˇs´ı ˇc´ asti [13]. Z´ ahadou je, kde bere kulov´ y blesk svou energii, kdyˇz je schopen prop´ alit d´ıru v okenn´ı tabuli, prorazit stˇenu nebo rozboˇrit kom´ın ˇci dokonce d˚ um. Zdroj energie by mohl b´ yt elektromagnetick´ y, elektrostatick´ y, chemick´ y nebo jadern´ y. Vˇedci se snaˇz´ı u ´kaz podobn´ y kulovému blesku vytvoˇrit v laboratoˇri ve 130


Obr. 6. (a) Optické spektrum bleskového kan´ alu bˇeˇzného bleskového v´ yboje typu oblak-zemˇe; (b) spektrum kulového blesku v okamˇziku jeho vzniku (pˇrevzato z [3])

snaze pochopit jeho p˚ uvod. Zat´ım nej´ uspˇeˇsnˇejˇs´ı byli brazilˇst´ı vˇedci [12], kteˇr´ı vytvoˇrili v obloukovém kˇrem´ıkovém v´ yboji namodralé kulovité struktury o velikosti 1–4 cm, které se jim po dobu 2–5 sekund kut´ alely po laboratoˇri. Zat´ım m´ ame jen velmi m´ alo vˇedeck´ ych pozorován´ı pˇr´ırodn´ıho kulového blesku. Existuje jedin´ y, a to n´ ahodn´ y z´ aznam ˇcasového v´ yvoje optického spektra kulového blesku, kter´ y se podaˇrilo z´ıskat ˇc´ınsk´ ym vˇedc˚ um [3]. Monitorovali dlouhodobˇe bouˇrkovou aktivitu ve snaze z´ıskat optické spektrum obyˇcejného bleskového v´ yboje. V m´ıstˇe u ´deru jednoho takového bˇeˇzného blesku se objevila sv´ıt´ıc´ı koule a videokamera zaznamenala spektrum obou blesk˚ u, bˇeˇzného i kulového (obr. 6). Z obrázku je vidˇet, ˇze se obˇe spektra v´ yznamnˇe liˇs´ı. Ve spektru obyˇcejného blesku jsou pˇr´ıtomny pˇreváˇznˇe spektr´ aln´ı ˇc´ ary jedenkr´ at ionizovaného dus´ıku, coˇz nen´ı pˇr´ıliˇs pˇrekvapivé. Ve spektru kulového blesku jsou vidˇet v´ yrazné spektr´ aln´ı ˇcáry kˇrem´ıku, vápn´ıku a ˇzeleza, coˇz jsou prvky obsaˇzené v p˚ udˇe, do které bˇeˇzn´ y blesk udeˇril. Takové spektrum podporuje hypotézu tzv. kˇrem´ıkového kulového blesku, kdy se pˇri u ´deru bˇeˇzného blesku do p˚ udy prudce zahˇreje m´ısto u ´deru a vznikne jak´ ysi vatovit´ yu ´tvar sloˇzen´ y z pomalu oxiduj´ıc´ıch nanovl´ aken kˇrem´ıkov´ ych slouˇcenin [10]. Tato hypotéza je velmi pravdˇepodobn´ a v pˇr´ıpadˇe ˇc´ınského pozorov´ an´ı, nevysvˇetluje ovˇsem vˇsechna pozorován´ı kulového blesku. Na u ´plné vysvˇetlen´ı si budeme muset jeˇstˇe poˇckat. Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2

131

Literatura [1] Barrington-Leigh, C. P., Inan, U. S.: Elves triggered by positive and negative lightning discharges. Geophys. Res. Lett. 26 (1999), 683–686. ´r ˇ, J.: Pozoruhodné jevy v atmosféˇre: Atmosférick´ [2] Bedna a optika, akustika a elektˇrina. Academia, Praha, 1989. [3] Cen, J., Yuan, P., Xue, S.: Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Phys. Rev. Lett. 112 (2014), 035001. [4] Franz, R. C., Nemzek, R. J., Winckler, J. R.: Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system. Science 249 (1990), 48–51. [5] Fukunishi, H., Takahashi, Y., Kubota, M., Sakanoi, K., Inan, U. S., Lyons, W. A.: Elves: Lightning-induced transient luminous events in the lower ionosphere. Geophys. Res. Lett. 23 (1996), 2157–2160. [6] Gurevich A. V., Zybin, K. P.: Runaway breakdown and the mystery of lightning. Phys. Today 37–43 (2005). [7] Gurevich, A. V., Karashtin, A. N.: Runaway breakdown and hydrometeors in lightning initiation. Phys. Rev. Lett. 110 (2013), 185005. [8] Harland, W. B., Hacker, J. L. F.: “Fossil” lightning strikes 250 million years ago. Advancement Sci. 22 (1966), 663–671. ´ , R.: Benjamin Franklin (1706–1790) a jeho pˇr´ınos k nauce o elektˇrinˇe. PMFA [9] Kolomy 48 (2003), 129–142. ´ nek, P.: Na stopˇe kulovému blesku. ALDEBARAN BULLETIN [online], 12 (4) [10] Kulha (2014). [11] Neubert, T.: On sprites and their exotic kin. Science 300 (2003), 747–749. ˜ o, A. C., De Vasconcelos, E. A., Mendes, O., Jr., Da [12] Paiva, G. S., Pava Silva, E. F., Jr.: Production of ball-lightning-like luminous balls by electrical discharges in silicon. Phys. Rev. Lett. 98 (2007), 048501. [13] Rakov, V. A., Uman, M. A.: Lightning – physics and effects. Cambridge University Press, 2003. [14] Shao, X. M., Krehbiel, P. R., Thomas, R. J., Rison, W.: Radio interferometric observations of cloud-to-ground lightning phenomena in Florida. J. Geophys. Res. 100 (1995), D2, 2749–2783. [15] Shao, X. -M., Hamlin, T., Smith, D. M.: A closer examination of terrestrial gammaray flash-related lightning processes. J. Geophys. Res. 115 (2010), A00E30. [16] Smith, D. M., Lopez, L. I., Lin, R. P., Barrington-Leigh, C. P.: Terrestrial gammaray flashes observed up to 20 MeV. Science 307 (2005), 1085. [17] Solomon, R., Schroeder, V., Baker, M. B.: Lightning initiation – conventional and runaway-breakdown hypotheses. Q. J. R. Meteorol. Soc. 127 (2001), 2683–2704. [18] Stolzenburg, M., Rust, V. D., Marshall, T. C.: Electrical structure in thunderstorm convective regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res. 103 (1998), 14097–14108. [19] Volland, H.: Handbook of atmospheric electrodynamics, volume 1. Atmospheric electricity. CRC Press, 1995.

132


Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Recommend Documents