Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 44 – vyšlo 18. prosince, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

44/2015

Skřeti a jiná havěť

Petr Kulhánek

Okolí ZeměZemě – 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. tvoří jakýsi přirozený kulový kondenzátor. Vnitřní „elektrodou“ je záporně nabitý povrch Země a horní „elektrodou“ je kladně nabitá spodní hranice ionosféryIonosféra – 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. ve výšce kolem 80 kilometrů. Mezi ionosférou a povrchem Země je přítomno stálé elektrické pole. Tuto přirozenou rovnováhu narušují bouřkové oblakyBouřkový oblak – Cumulonimbus capillatus incus. Cumulonimbus znamená dešťový sloupec, capillatus znamená vlasatý a incus znamená kovadlina. Výškově protáhlý oblak, jehož spodní hrana může být od několika set metrů až do několika kilometrů. Horní část oblaku dosahuje výšky až 17 kilometrů, obsahuje ledové krupky a její kovadlinový tvar vzniká zastavením vertikálního proudění o tropopauzu. V bouřkových oblacích vznikají vlivem separace náboje (horní část je kladná, dolní záporná) blesky. Ve svislém směru probíhá intenzivní proudění vedoucí na značné turbulence., jejichž separovaný náboj způsobí, že pod oblakem je na zemi indukovaná malá oblast kladného náboje a v ionosféře malá oblast záporného náboje. Tyto oblasti atypického náboje se přesouvají spolu s plujícím oblakem. K běžným bleskovým výbojům dochází mezi bouřkovým oblakem a zemí, ve vnitřních částech oblaků nebo mezi oblaky. K dalším výbojům dochází v prostoru mezi oblakem a ionosférou. Zde nehovoříme o blescích, protože nemají horký vodivý kanál, jde o chladný výboj příbuzný doutnavému výboji probíhajícímu v zářivce. Proto hovoříme buď o nadoblačných výbojích nebo o přechodných světelných jevech v horní atmosféře. Systematický výzkum těchto jevů započal až po roce 1989 a od té doby o nich vědci nashromáždili mnoho zajímavých faktů. Detailní mechanizmus nadoblačných výbojů není ale dodnes přesně znám.

Blesky a nadoblačné výboje. Kresba Ivan Havlíček.

Bouřkový oblak – Cumulonimbus capillatus incus. Cumulonimbus znamená dešťový sloupec, capillatus znamená vlasatý a incus znamená kovadlina. Výškově protáhlý oblak, jehož spodní hrana může být od několika set metrů až do několika kilometrů. Horní část oblaku dosahuje výšky až 17 kilometrů, obsahuje ledové krupky a její kovadlinový tvar vzniká zastavením vertikálního proudění o tropopauzu. V bouřkových oblacích vznikají vlivem separace náboje (horní část je kladná, dolní záporná) blesky. Ve svislém směru probíhá intenzivní proudění vedoucí na značné turbulence. Troposféra – nejnižší vrstva atmosféry, ve které se tvoří počasí. Troposféra sahá od povrchu Země až do výšky 7 km v polárních oblastech a 17 km okolo rovníku. Teplota troposféry klesá s nadmořskou výškou průměrně o 6,5 °C. Stratosféra – vrstva atmosféry nad troposférou. Sahá přibližně do 50 km. Součástí stratosféry je ozónová vrstva, která pohlcuje škodlivé ultrafialové záření přicházející ze Slunce. Ve stratosféře nedochází k turbulentnímu proudění, neboť teplota vzduchu s výškou roste (růst způsobuje pohlcování UV záření). Mezosféra – vrstva atmosféry nad stratosférou, sahá přibližně do 80 až 85 km. Teplota v mezosféře s nadmořskou výškou klesá až na −100 °C. V mezosféře shoří většina meteoroidů. Zmrzlá vodní pára zde vytváří noční svítící oblaka. Ionosféra – 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.

Trocha historie

Ojedinělé záznamy o pozorování nadoblačných výbojů se datují od 18. století. Známé je například pozorování německého právníka a historika Johanna Estora z roku 1730, které dokonce popisuje v jedné ze svých knih. Většina pozorování z 18. a 19. století má útržkovitý charakter a v mnoha případech není jasné, zda nešlo o jiné jevy. O nadoblačných výbojích poprvé seriózně uvažuje Charles Wilson, objevitel mlžné komory a nositel Nobelovy cenyNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za tento objev. V roce 1925 publikoval teorii, v níž připouští možnost výbojů v  horních vrstvách atmosféry. Skutečným přelomem v poznávání nadoblačných výbojů je rok 1989. Na Univerzitě v Minnesotě pořizují dne 6. července první černobílou fotografii červených přízraků (tak se dnes nazývá jeden z těchto výbojů) a o něco málo později, dne 21. října 1989, pořizuje raketoplán při přeletu nad Austrálií první videonahrávku modrých výtrysků nad bouřkovými oblaky. V roce 1990 je z raketoplánu nasnímán rozsáhlý kruhový útvar v ionosféře, později takové útvary dostaly název elfové. V roce 1994 začal systematický výzkum nadoblačných výbojů z letadel za pomoci vysokorychlostních kamer a byl pořízen první barevný snímek červených přízraků. V roce 2001 vyfotografovali na Observatoři Arecibo (je známa především radioteleskopem AreciboArecibo – do roku 2016 nejvýkonnější radioteleskop světa, ostrov Portoriko. Průměr antény 304 metrů, anténa vyplňuje celé údolí. Povrch tvoří 40 000 hliníkových desek. Postaven byl v roce 1963. Objevy: první extrasolární planeta, změření periody rotace Merkuru, objev podvojného pulsaru PSR 1913+16 (nepřímé potvrzení existence gravitačních vln), potvrzení Jarkovského jevu u planetky Golevka.) obří výtrysk, který trval téměř jednu sekundu. Dnes existují tisíce záznamů těchto jevů a můžeme žasnout nad fascinujícími videosekvencemi pořízenými specializovanými vysokorychlostními kamerami, které dokáží zaznamenat kolem 10 000 snímků za každou sekundu. Rutinně také fotografují nadoblačné výboje z Mezinárodní kosmické staniceISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka..

Snímek skupiny červených přízraků z Mezinárodní kosmické stanice ze dne 10. srpna 2015 nad severní Amerikou. Snímek byl pořízen digitální kamerou ze vzdálenosti 2 200 km. Na snímku je dobře patrný bouřkový oblak pod výbojem, Uprostřed nad atmosférou svítí Měsíc, v popředí je patrný Dallas (světlá skvrna na pevnině). Fotografie je výřezem z celkového snímku (1 MB). Zdroj: NASA.

Červení skřítci, haló a elfové

K nejčastějším nadoblačným výbojům patří červené přízraky, anglicky red sprites. Stále častěji se do češtiny tyto typy výbojů překládají jako červení skřítci. Červené přízraky se objevují vysoko nad bouřkovou oblastí, připomínají příšerky visící za hlavičku z dolní části ionosféry (cca 80 až 90 km) do výšky přibližně 50 kilometrů. Jde o vertikální útvary s objemem kolem 10 000 km³. Objevují se několik milisekund (v extrémních případech až 100 milisekund) po úderu čárového blesku kladné polarityBlesk kladné polarity – relativně vzácný druh čárového blesku, který má opačnou polaritu než běžný blesk. Takových blesků je jen několik ze sta. V některých případech vybíhají z horní vrstvy bouřkového oblaku a udeří do země i ve větší vzdálenosti od bouřkové oblasti.. Většinou se vynořují ve větších skupinách (řádově deset výbojů) a jejich svit trvá několik milisekund. To je natolik krátký jev, že k zobrazení časového vývoje jsou zapotřebí vysokorychlostní kamery. Typická červenooranžová barva není způsobena žádným optickým jevem, ale z pořízených spekter se prokázalo, že jde o fotony vyzařované při přechodech elektronů v molekulách dusíku.

V dolní části výboje je tu a tam patrné rozvláknění, takže se celý útvar podobá visící medúze nebo chobotnici. Spodní části „chapadel“ mohou mít namodralou barvu, ta je opět způsobena elektronovými přechody v molekule dusíku, tentokrát mezi excitovanějšími stavy. Vyskytují se ale i červené přízraky bez výraznější struktury, které se podobají visící mrkvi. Vysokorychlostní kamery ukázaly, že „skřítci“ nejsou jednolití, skládají se z chuchvalců ionizované látky o velikosti několika desítek metrů (je možné, že jde jen o oblasti s vyšší ionizací, než má okolí). Tyto oblasti se v počáteční fázi výboje pohybují směrem dolů a v závěrečné fázi se detekují obdobné útvary stoupající vzhůru. Celková energie útvaru se odhaduje na 10 až 100 MJ, z toho odpovídá 10 až 50 kJ energii záření v optickém oboru.

Snímek skupiny červených přízraků vyfotografoval Martin Popek dne 13. května 2015
nad obcí Nýdek v České republice. Zdroj: Washington Post.

Existují i další příbuzné jevy. Někdy se zhruba jednu milisekundu před vznikem červených přízraků objeví ve výšce 80 až 90 kilometrů vodorovný načervenalý kruhový útvar o průměru přibližně 50 kilometrů, tzv. haló. Možná jde o výboj, u kterého se z nějakých příčin nevyvinula spodní část (snad z důvodu nižší ionizace). Zajímavé je, že haló byla detekována i jako důsledek úderu normálního blesku, tedy blesku záporné polarity. Souvislosti a detailní mechanizmy jsou nejasné. Existují i další vodorovné kruhové útvary, tzv. elfové. Tyto kruhy jsou méně svítivé, vyskytují se ve větších výškách (90 až 100 kilometrů) a mají větší průměr – kolem 400 kilometrů. Jsou doprovázeny nízkofrekvenčními elektormagnetickými vlnami a odtud pochází jejich anglický název ELVES (Emissions of Light and Very low frequency erturbations due to Electromagnetic pulse Sources). Je patrné, že autoři zkratky toužili po elfech za každou cenu.

Červené přízraky zachycené i s haló dne 12. září 2008. Zdroj ILAN.

Modré výtrysky, spouštěče a obří výtrysky

Dalším typem nadoblačných výbojů jsou modré výtrysky, anglicky blue jets. Český národ miluje skřety a jinou havěť, takže se těmto útvarům u nás někdy také říká modří skřítci. Jde o výboje objevující se nad bouřkovými oblaky, kde se někdy objeví zářící kužel postupující od horní části oblaku směrem k ionosféře. Vrcholový úhel kužele bývá kolem 15° a kužel se šiří vzhůru rychlostí zhruba 100 km/s (třistakrát rychleji než zvuk). Vlastnosti těchto výbojů jsou zcela odlišné od červených přízraků. Především jde o mnohem vzácnější jev. Modré výtrysky se vyskytují samostatně, nikoli ve skupinách. Jejich souvislost s čárovými blesky nebyla prokázána a zdá se, že neexistuje. Výboje probíhají přibližně ve výškách od 15 kilometrů do 50 kilometrů. Jejich celková energie se odhaduje na 30 MJ, z toho jen 4 kJ odpovídají energii záření v optickém oboru. Typicky modrá barva výtrysků je, obdobně jako u červených přízraků, způsobena zářivými přechody v molekulách dusíku – u modré barvy jde o vyšší excitace než u červené. Modré výtrysky mají také své menší i větší příbuzné. Malá forma, jakýsi nevyvinutý modrý výtrysk, se nazývá modrý spouštěč (modrý startér, blue starter). Existují ale i tzv. obří výtrysky (GJ, Gigantic Jets), jejichž výška může být 50 i 60 kilometrů. Tyto obří výtrysky trvají neobvykle dlouho, často i téměř celou sekundu. První obří výtrysk byl zachycen v roce 2001 na Observatoři Arecibo. V roce 2014 pozorovali na argentinské observatoři Oro Verde při jedné únorové bouřce dokonce 10 obřích výtrysků.

Dánský astronaut Andreas Mogensen (první Dán ve vesmíru) zachytil dne 11. září 2015 z okna ISS modrý výtrysk nad bouřkou zuřící v Indii. Je to poprvé, co byl tento druh výboje vyfotografován z vesmíru. Zdroj ESA/NASA/DTU Space.

Závěr

V prostoru mezi povrchem Země a ionosférou se odehrává celá řada dosud podrobně neprozkoumaných fyzikálních jevů. Úder obyčejného blesku bychom mohli přirovnat k úderu srdce zvonu umístěného na věži kostela. Zvon se rozezvučí směsicí zvukových vln, které lidskému uchu znějí velmi příjemně. Při úderu blesku se rozkmitá rezonanční dutina mezi zemí a ionosférou. Zaplní se nízkofrekvenčními elektromagnetickými vlnami s dominantní frekvencí kolem 8 Hz. Tato rezonance se nazývá Schumannova rezonance podle německého fyzika Winfrieda Otto Schumanna (1888–1974) a je z ní dobře patrné, že úder blesku není lokální záležitostí a že děje doprovázející bouřky ovlivňují přírodu i ve velké vzdálenosti a jsou vzájemně provázané. Dnes víme, že kromě čárových blesků existují také nadoblačné výboje, které ovlivňují onu rezonanční dutinu mezi zemí a ionosférou také nemalou měrou. V poznání nadoblačných výbojů jsme ušli už notný kus cesty, stále ale nejsou vidět jemné detaily a mnohé kamínky mozaiky poznání doposud chybí. Neznáme mechanizmus vzniku nadoblačných výbojů, nevíme, jak souvisí tyto výboje se vznikem pozemských gama záblesků za bouřkové aktivity, nevíme, proč se červené přízraky zjevují po úderu blesku s kladnou polaritou a nevíme ani, proč jsou modré výtrysky mnohem vzácnější než červené přízraky. Systematický výzkum v posledních letech ale snad dává naději, že jednou pochopíme i tak zdánlivě jednoduchý jev, jakým je obyčejná bouřka.

Video popisující jednotlivé druhy nadoblačných výbojů, které se často označují zkratkou TLE (Transient Luminous Events, přechodné světelné události). Video vytvořil na základě skutečných fotografií Frankie Lucena. Zdroj: YT.

Odkazy