Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 17 – vyšlo 24. května, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

17/2013

Nové výsledky ve výzkumu vzniku bleskových výbojů

Miroslav Horký

Bleskový výboj je jev, který každý z nás velmi dobře zná a v životě ho již někdy spatřil. Na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. jsou bouřky tak častým jevem, že každou sekundu někde na Zemi udeří blesk 50÷100krát. Existují studie, které bleskům přisuzují významnou roli při formování zemské atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. a dokonce při vzniku života. V dnešním bulletinu se ale zaměříme na jinou problematiku – na vznik bleskových výbojů. Přestože jsou bouřky na Zemi velmi časté, stále nevíme, jak blesky vznikají, protože elektrické napětí mezi bouřkovým oblakem a zemí je o několik řádů menší než průrazné napětí pro atmosférický vzduch.

Obr. 1: Blesk nemusí vznikat jen za bouřky. Na snímku jsou blesky objevující se na sopečném popelu nad vulkánem Puyehue v Chile, který byl aktivní v červnu 2011. Sloupec popelu byl vysoký 10 km. Zdroj: Carlos Gutierez/Reuters.

Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. Pion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. Kaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. Kosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.

Bleskové výboje

Existují čtyři typy blesků. Blesk mezi dvěma oblaky, dále mezi dvěma oblastmi oblaku, kladný blesk mezi oblakem a zemí a záporný blesk mezi oblakem a zemí. Poslední dva typy se liší polaritou, častější z nich je záporný blesk, při kterém elektrony vytvářejí vodivý kanál od oblaku směrem k zemi. Takový bleskový výboj vzniká ve dvou fázích. V první fázi se od oblaku dolů tvoří tzv. strimer (předvýboj), tj. lavinovitě roste vodivý kanál rychlostí cca 10⁶ m/s. Po přibližně 50 metrech dojde k vytvoření lideru (hlavního výboje), což znamená, že vzniklý vodivý kanál se rozšíří a od jeho hrotu se směrem k zemi začne šířit další strimer. Tento proces se opakuje, dokud nedojde k vytvoření vodivého propojení mezi oblakem a zemí. Celý výboj trvá řádově stovky mikrosekund a poté se rozpadá. Vzhledem k pomalým relaxačním procesům zůstává bleskový kanál vodivý dostatečně dlouho, takže může dojít k opakovaným výbojům, tentokrát již rovnou ve vodivém kanálu, tedy bez tvorby jednotlivých strimerů a liderů. Jak bylo výše zmíněno, největším problémem při vzniku bleskových výbojů je malé napětí mezi oblakem a zemí, proto v roce 1992 přišel Alexandr Gurevič s teorií, že tzv. runaway (ubíhající) elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. dokážou dostatečně předionizovat atmosféru, a tím sníží hodnotu průrazného napětí pod hodnotu napětí mezi oblakem a zemí.

Obr. 2: Bouřkový oblak neboli Cumulonimbus je nejčastějším zdrojem blesků.
Zdroj: NOAA.

Runaway elektrony

Pokud budeme řešit interakci svazku nabitých částic (například elektronů) s plazmatemPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. pomocí Fokkerovy-Planckovy rovniceFokkerova-Planckova rovnice – rovnice popisující statistické chování plazmatu se započtením párové Coulombovy interakce nabitých částic. Ústřední veličinou je hustota pravděpodobnosti závislá na čase, prostoru a rychlostech částic., vyjde pro sílu působící na částice svazku závislost, kterou popisuje tzv. Chandrasekharova funkce. Jedná se o brzdnou sílu způsobenou srážkami s okolním plazmatem – viz Obr. 3. Na obrázku je modře vykreslena urychlující síla elektrického pole a červeně je znázorněna brzdná síla (Chandrasekharova funkce). Povšimněte si, že při vysokých rychlostech účinný průřez srážek částic s plazmatem výrazně klesá. Pro částice s rychlostí menší než v₁ bude převládat urychlující síla od elektrického pole a částice budou urychlovány právě až na tuto rychlost v₁, kde se obě působící síly vyrovnají. Pro částice o rychlostech z intervalu (v₁, v₂) bude převládat brzdná síla a částice budou brzděné opětovně na rychlost v₁. V tomto rovnovážném bodě hovoříme o tzv. standardním ohmickém režimu, kdy plazmatem teče proud podle Ohmova zákonaOhmův zákon – lineární závislost mezi tekoucím proudem a přiloženým napětím. V případě kontinua jde o lineární závislost mezi proudovou hustotou a elektrickým polem. Konstanta úměrnosti se nazývá diferenciální vodivost. Zákon odvodil německý fyzik George Simon Ohm v roce 1827.. Avšak situace se zcela změní pro částice s rychlostmi vyššími než v₂. Převládne urychlení od elektrického pole a jak je vidět z Obr. 3, za rychlostí v₂ již není žádný rovnovážný bod a částice budou urychlovány až k rychlosti světla. Takto urychleným částicím se říká runaway (ubíhající) částice.

Obr. 3: Průběh sil působících na nabitou částici v elektrickém poli za přítomnosti srážek. Červeně: Závislost brzdné síly na rychlosti vlivem srážek s částicemi prostředí. Modře: Urychlující síla elektrického pole. Zdroj [4].

V případě bouřek se předpokládá, že právě elektrony z chvostu Chandrasekharovy funkce mohou dostatečně předionizovat prostředí k vytvoření samostatného bleskového výboje. Horní vrstvy atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. jsou neustále bombardovány kosmickým zářenímKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. o velké energii (~100 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.), které srážkami s ionosférouIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³. produkuje spršky sekundárních částic, převážně pionůPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a kaonůKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením., které se rozpadají na elektrony, pozitrony a další elementární částice. Právě elektrony z těchto sekundárních spršek mají dostatečnou rychlost na to, aby se ocitly právě na chvostu Chandrasekharovy funkce.

Nové poznatky

Letos v květnu Alexandr Gurevič spolu s Anatolijem Karaštinem publikovali svoji novou práci v oblasti výzkumu jevů, které předcházejí vzniku bleskového výboje. Zaměřili se na měření rádiových záblesků předcházejících samostatný výboj. Záblesky měřili na přibližně 3 800 bleskových výbojích v oblasti Nižného Novgorodu v Ruské federaci a v okolí hory Ťan-Šan v Kazachstánu. Rádiové záblesky měřili pomocí rádiového interferometru s časovým rozlišením 16 ns a šířkou pásma 0,1÷30 MHz. Na obr. 4 jsou znázorněna naměřená data předcházející jednomu výboji.

Obr. 4: Rádiové záblesky naměřené před jedním výbojem. Z dat je patrné, že záblesky jsou bipolární. V horní části je zachycen první impulz před výbojem. V dolní části je střední fáze před vlastním výbojem. Zdroj [1].

Tyto rádiové záblesky považovali za důsledek vzniku lavinovité ionizace od ubíhajících elektronů, nicméně po důkladném výpočtu zjistili, že aby měly záblesky amplitudu, kterou naměřili, muselo by mít kosmické záření energii odpovídající 10¹⁷ eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a vyšší. Takové energie jsou ale u kosmického záření velmi vzácné. Na oblast běžného bouřkového oblaku připadá taková situace přibližně jednou denně. Naproti tomu měřené záblesky měly před každým výbojem frekvenci 20÷50 záblesků za milisekundu. Tato frekvence ale právě odpovídá tomu, jak často je Země bombardována kosmickým zářenímKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. s běžnými energiemi okolo 10¹¹ eV. Z tohoto paradoxu dovodili, že v bouřkových oblacích musí probíhat ještě nějaký jiný jev, který podporuje tvorbu rádiových záblesků, a přišli s teorií, ve které amplitudu rádiových záblesků vysvětlují pomocí tzv. hydrometeorů. Oblaka jsou tvořená kondenzovanou vodou a ledovými krystalky. Jako hydrometeor je označovaná kapka vody nebo krystal, který je v elektrickém poli bouřkového oblaku polarizován. Kosmické záření o standardní energii spustí v oblaku lavinovitou ionizaci a uvolněné elektrony iniciují pulzní výboje právě v hydrometeorech. Tyto pulzní výboje jsou podle autorů zodpovědné za rádiové záblesky. Tím, že jsou iniciované sprškami sekundárních částic, mají frekvenci odpovídající právě četnosti bombardování běžným kosmickým zářením a zároveň jsou jednotlivé výboje v zásadě synchronizované, proto se jejich amplitudy posčítají a výsledkem je jeden rádiový záblesk.

Náčrt vzniku pulzních výbojů v důsledku lavinovité ionizace ubíhajícími elektrony.
Zdroj [1].

Závěr

I když výpočty odpovídají naměřeným datům, je potřeba udělat ještě dost práce, než bude možné plně rozhodnout o tom, co stojí na pozadí vzniku bleskového výboje. Joseph Dwyer z Floridského technologického institutu aktuálně pracuje se svým týmem na výzkumu, ve kterém měří rádiové záblesky a současně k nim i spršky sekundárních částic. Výsledek bude hrát zásadní roli v potvrzení Gurevičovy teorie.

Klip týdne: Bleskový výboj

Unikátní záběry vzniku bleskového výboje. Zdroj: Youtube/Raging Planet.

Odkazy