Bouřky jsou na Zemi velmi častým jevem. Na celý povrch Země udeří v průměru padesát až sto blesků za sekundu. Nejčastější frekvence bouří byla naměřena na jedné náhorní planině v jihoamerickém Peru, v nadmořské výšce 2 500 metrů. Na jednu lokalitu se zde vyskytuje 50 až 120 bouřek za rok. Jejich průměrná délka je 45 minut a frekvence blesků 15 až 20 za minutu. Bouřky se objevují náhle, zejména odpoledne a večer. Planina je relativně hodně osídlená a domorodci popisují, že těsně před bouřkou slyší bzučení, vstávají jim vlasy a uši dobytka jiskří. V této oblasti je zasažení dobytka bleskem častým jevem, nezřídka je zasažen i člověk. Celosvětově je ale počet úmrtí člověka z důvodu zasažení bleskem velmi malý vzhledem k ostatním příčinám násilné smrti.
Cumulonimbus (bouřkový oblak). Horní část je rozšířená, takže se podobá kovadlině nebo květáku, dolní část vytváří cosi jako stonek. Ve svislém směru probíhá intenzivní proudění vedoucí na značné turbulence. V bouřkových mracích dochází k separaci náboje. Jednou z možností jsou srážky drobných ledových krystalků s ledovými krupkami, při kterých přeskočí z krystalku na kroupu jeden nebo více elektronů. Lehké, kladně nabité krystalky stoupají vzhůru, zatímco záporně nabité kroupy a vodní kapky klesají směrem dolů. Výsledkem je polarizovaný oblak, jehož horní část (kovadlina) má kladný náboj a dolní část záporný náboj. Meteorologové navrhli i další mechanizmy, které mohou vést k polarizaci bouřkového oblaku. Zdroj: Carl Gladish, Courant Institute of Mathematical Scineces.
|
COMPTON – Compton Gamma Ray Observatory, první obří družice NASA určená pro výzkum gama záření, hmotnost měla 17 tun a na oběžnou dráhu ji vynesl raketoplán Atlantis 5. 4. 1991. Mise byla ukončena 4. 6. 2000 navedením družice do zemské atmosféry, kde shořela. Přesnost určení polohy zdroje gama záření činila několik stupňů. Družice byla pojmenována po americkém fyzikovi Arthuru Comptonovi, nositeli Nobelovy ceny za fyziku, a to za výzkum rozptylu vysoce energetických fotonů na elektronech. Právě tento mechanizmus sloužil k detekci gama záření na všech čtyřech přístrojích družice. RHESSI – Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, malá družice NASA vypuštěná 5. 2. 1992. Jejím hlavním cílem je výzkum uvolňování energetických částic při náhlých slunečních vzplanutích. Pohybuje se na kruhové dráze kolem Země ve výšce 600 km. Pojmenována je podle Reuvena Ramatyho (1937–2001), který je průkopníkem sluneční fyziky, gama astronomie a výzkumu kosmického záření. Ramaty se narodil v Rumunsku, většinu života ale pracoval v USA v NASA. Kosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. 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 Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. |
Vznik blesku není dodnes zcela pochopenou záležitostí. Typické pole v mraku (meteorologové důsledně používají slovo oblak) nemá hodnotu průrazného napětí. Mezi horní a dolní vrstvou mraku může být napětí ve stovkách milionů voltů. Průrazné napětí v mraku se odhaduje na tři miliony voltů na metr, což elektrické pole v rozlehlém bouřkovém mraku nedosahuje. Při vzniku blesku se proto uplatňují i další faktory, za nejvýznamnější je považováno kosmické záření, které atakuje atmosféru a při těchto srážkách vznikají elektrony s vysokými energiemi, které pravděpodobně hrají při vzniku blesku klíčovou roli.
Běžný elektron je elektrickým polem mraku urychlován, ale srážky s ostatními elektrony a atomy atmosféry ho zase brzdí. Při určité rychlosti se ustaví rovnováha mezi urychlováním elektronu a jeho brzděním a elektron již vyšší rychlost nezíská. Pokud má ale elektron hned na počátku vysokou rychlost (takový elektron může vzniknout jen při srážce kosmického záření s atmosférou), stává se pro něho atmosféra téměř průhlednou a účinný průřez srážek s atmosférou je minimální. Takový elektron je neustále urychlován elektrickým polem, protože jeho srážky s okolím jsou téměř zanedbatelné. Hovoříme o tzv. ubíhajících elektronech, které mohou získat relativistickou rychlost a značnou energii. Právě tyto elektrony mohou být zodpovědné za počáteční formování některých blesků, jak navrhnul ruský fyzik Alexandr Gurevič (1930) v roce 1992 [2]. Ubíhající elektrony sníží průrazné napětí ze tří milionů voltů na metr na pouhých 280 tisíc voltů na metr.
Síly působící na elektron v bouřkovém oblaku. Modře je znázorněna síla způsobená elektrickým polem, červeně srážkami s okolním prostředím. V oblasti I je elektron urychlován (převládá síla způsobená elektrickým polem) až na rovnovážnou rychlost v1, při které se obě působící síly vyrovnají. V oblasti II je elektron brzděn (převládá síla způsobená srážkami) až na rovnovážnou rychlost v1. V oblasti III dochází k urychlování elektronu „nade všechny meze“. Jde o tzv. oblast vzniku ubíhajících elektronů. Elektron musí mít vysokou počáteční rychlost. Zdroj [3].
Gama záblesky
Od 90. let 20. století jsou v bouřkově aktivních oblastech pozorovány krátké gama záblesky, a to jak z oběžné dráhy, tak z pozemských měřících stanic. Záblesky míří většinou z bouřkových oblastí (z výšky 15 až 21 km) směrem vzhůru. Jako první je detekovala v roce 1994 družice CGRO, která jich za deset let své existence zachytila 77. Družicová observatoř RHESSI je úspěšnější, z jejích pozorování se zdá, že jich je generováno na celé Zemi přibližně 50 denně. Oproti gama zábleskům přicházejících z vesmíru jsou atmosférické gama záblesky velmi krátké, většinou trvají kolem jedné milisekundy. Označujeme je zkratkou TGF (Terrestrial Gamma-ray Flashes). Jejich existence byla pro fyziky velkým překvapením. Energie těchto gama fotonů občas překročí i hodnotu 20 MeV. Za gama obor považujeme elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami kratšími než setina nanometru, tj. 10–11 m. Frekvence tohoto záření je vyšší než 3×1019 Hz. Nejčastěji se záření charakterizuje energií fotonů, která je pro gama záření vyšší než 0,1 MeV.
Rentgenová observatoř Compton (1991–2000). Zdroj: NASA.
Jak mohou fotony s tak vysokou energií při bouřce vznikat? S největší pravděpodobností je produkují ubíhající elektrony urychlené na relativistické rychlosti. Rychlé elektrony vzniklé interakcí kosmického záření s atmosférou mohou interagovat i s polem atypických blesků, například modrých výtrysků, a vytvořit lavinu relativistických ubíhajících elektronů mířících směrem vzhůru, která poté vyšle gama záblesk.
Na dalším urychlování ubíhajících elektronů se mohou podílet i hvizdy, nízkofrekvenční elektromagnetické vlny vznikající jako doprovodné jevy blesků. Hvizdy se pohybují podél silokřivek magnetického pole Země, rovina jejich elektrického pole se otáčí ve stejném směru, v jakém se elektrony po šroubovicích v magnetickém poli pohybují. Elektrické pole vlny proto může přispět k dalšímu urychlení elektronů až na jejich relativistickou rychlost. Takové elektrony potom také vyzáří gama záblesk. Navrhovaných mechanizmů je celá řada a pochopení vzniku gama záblesků při bouřkové činnosti se teprve začíná rýsovat v hrubých obrysech.
Rentgenové záření
Při vzniku blesku se nejprve objevuje předvýboj. Míří od mraku k Zemi a narůstá po charakteristických skocích. Nakonec se propojí s kratším vodivým kanálem mířícím od země k mraku. Vzniklým vedoucím kanálem poté projde základní výboj od mraku k zemi. Následuje zpětný výboj (od Zemi k mraku), který vodivý kanál zahřeje až na teplotu 30 000 K. Vytvořeným kanálem pak projde zpravidla několik výbojů (k zemi + zpětný úder k mraku). Jednu milisekundu před prvním zpětným úderem vzniká zatím z neznámých příčin slabý rentgenový záblesk. Pravděpodobně nějak souvisí se skoky při vytváření vedoucího kanálu. Při bouřkách vzniká i slabý rentgenový šum [1]. V tomto případě nejde o záblesky, ale o signál trvající několik desítek minut. Objeven byl při brazilském experimentu GGR (Ground Gamma Radiation) v roce 2005. Jedná se o scintilační detektor, který zaznamenává fotony v rozsahu energií 60 keV až 2,12 MeV, tedy jak rentgenové tak měkké gama záření. Detektor je umístěn v oblasti Cachoeira Paulista 3 metry nad zemí na okraji deštného pralesa. V blízkosti jsou i dvě odpalovací rampy, ze kterých lze uměle za pomoci raket vyvolat blesky. Rentgenové záření se ale pravidelně objevuje i za přirozené bouřky. Při vzniku ubíhajících elektronů směrem vzhůru by také měly vzniknout urychlené protony mířící směrem k zemi. Při srážkách těchto protonů s uhlíkem, dusíkem, kyslíkem a argonem vznikají v atmosféře v malém množství radioaktivní nuklidy 11C, 13N, 16F, 39Cl a 38Cl s poločasem rozpadu mezi 10 až 100 minutami, což dobře koresponduje s dobou, po kterou je měřeno rentgenové záření. Při experimentech byla detekována čára odpovídající energii 1,24 MeV. Ta přísluší rozpadu radioaktivního chlóru 39Cl, který vzniká při srážce protonu s argonem. Zdá se tedy vysoce pravděpodobné, že zdrojem rentgenového signálu při bouřce jsou radioaktivní nuklidy vznikající při srážkách urychlených protonů s běžnými atomy atmosféry. Z části může jít i o projevy radonu, který se za bouřky dostává do ovzduší.
Zdroje:
- U.B. Jayanthi et al.: Ground gamma radiation associated with lightning and rain precipitation; 29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 101–104
- A. V. Gurevich, K. P. Zybin: Runaway Breakdown and the Mysthery of Lightning; Physics Today
(May 2005) 37–43. - P. Kulhánek: Úvod do teorie plazmatu; AGA 2011.
- P. Kulhánek: Červené přízraky, elfové a pozemské gama záblesky; AB 39/2007
