Člověka odpradávna přitahovaly záhadné přírodní jevy, které mohl pozorovat na obloze. Fascinován je jimi i moderní člověk. Ten se je ale snaží pomocí přírodních věd pochopit. Co se to tedy v atmosféře děje? Kam současná věda dospěla v jejím poznání?
Když se trhá mrak…
S významnějším studiem atmosférické elektřiny se započalo až v 18. století, kdy v roce 1752 Američan Benjamin Franklin pokusem s hedvábným drakem podal důkaz o tom, že blesk je elektrický výboj. S tím souvisí i konstrukce prvních hromosvodů, které jsou dílem nejen Benjamina Franklina, ale i českého přírodovědce a vynálezce Prokopa Diviše.
Do té doby byly za příčinu bouřkových jevů považovány hořlavé sirné a sodné výpary ze zemského povrchu, uzavřené v mraku, a blesk byl vykládán jako ohnivý výpar vymrštěný z mraku. Hrom pak byl zvuk, jenž nastává při trhání mraku.
A co nám o atmosférické elektřině říká současná věda?
Je vzduch elektricky vodivý?
Zemský povrch a atmosféra jsou převážně nabity elektrickými náboji opačné polarity. Náboj zemského povrchu je po většinu času a na většině území záporný a náboj atmosféry kladný. Proto se v atmosféře vytváří přibližně vertikálně orientované pole, jehož intenzita dosahuje za klidného ovzduší u zemského povrchu nejčastěji hodnot 130 – 140 V/m. Pod mohutnými, především bouřkovými oblaky však elektrická pole zesilují až na desítky tisíc V/m, mají ale opačnou polaritu. Ten první typ elektrického pole se však vyskytuje podstatně častěji.
A jak je to tedy s elektrickou vodivostí vzduchu? Ta je v troposféře (do výšky 8 – 17 km), zejména blíže k zemskému povrchu, velmi malá a vzduch zde můžeme považovat za téměř nevodivý. S přibývající výškou se ale zvětšuje ionizace vzduchu a tím roste i jeho elektrická vodivost. Ve výškách přibližně 50 – 60 km pak bývá vzduch již natolik elektricky vodivý, že vrstvy atmosféry nad touto výškou se někdy dokonce označují jako elektrosféra.
„Nosiči“ elektrického proudu
„Viníky“ elektrické vodivosti vzduchu jsou elektricky nabité částice, atmosférické ionty, přičemž jako „nosiči“ elektrického proudu se uplatňují hlavně lehké ionty. To jsou molekuly, které při ionizaci ztratily nebo naopak zachytily elektron, nebo také shluky molekul, nesoucí přebytek kladného či záporného náboje.
Ve společnosti lehkých iontů existují v atmosféře i střední, těžké a ultratěžké ionty, což jsou jemné prachové nebo kapalné částečky (aerosol). Ty jsou však velmi špatnými „nosiči“.
Gigantický kondenzátor
Působením elektrického pole atmosféry vznikají v ovzduší proudy elektricky nabitých částic. Za běžných podmínek, tedy když je zemský povrch nabit záporně, směřují kladné ionty dolů, záporně nabité naopak vzhůru. Celé si to můžeme jednoduše představit jako jakýsi gigantický kondenzátor „Země-atmosféra“, v němž jednu desku kulového tvaru tvoří záporně nabitý zemský povrch, druhou kladná elektrosféra a mezi nimi je vrstva vzduchu s malou elektrickou vodivostí.
Výpočtem lze dokázat, že za klidného ovzduší by asi za 5 minut došlo k úplné neutralizaci záporného náboje zemského povrchu. Elektrické pole v ovzduší je však stálé, takže musí někde existovat určitý nabíjecí mechanismus, bránící vybití „kondenzátoru“. Tím jsou výboje z hrotů vysokých předmětů a objektů, zejména pod bouřkovými oblaky, a výboje blesků při asi 1800 bouřkách, které se vždy současně na Zemi vyskytují.
Jak vzniká bouřka?
Samotná bouřka vzniká jako výsledek silného vertikálního proudění, jehož původcem jsou ”nadměrně” vysoké teploty v nižších hladinách troposféry. Při stoupání přehřátého vzduchu se tato vzduchová ”bublina” rozpíná, ochlazuje a od určité teploty v ní začne kondenzovat vodní pára, což se projeví vznikem oblaků typu cumulus. Ty můžeme vidět na obloze jako mraky ve tvaru kup, kupolí nebo věží, jejichž horní část se často podobá květáku.
Je-li teplota stoupající vzduchové částice i přes ochlazování stále větší než v okolí, pokračuje výstup přehřátého vzduchu do větších výšek, až se objeví oblak druhu cumulonimbus (vysoký věžovitý mrak podobný kovadlině). Ten je provázen deštěm, často spojeným s kroupami a nepřehlédnutelnými elektrickými výboji, blesky.
Ty vznikají jako výsledek elektrického napětí mezi jednotlivými částmi bouřkového mraku, případně mezi zemským povrchem a oblakem. Vysvětlení vzniku takového napětí není jednoduché, ale hlavní princip spočívá v nabíjení rozdílných druhů srážkových částic odlišným nábojem – například větší částice se častěji nabíjejí záporně. Razantně stoupající vzdušný proud pak rozdělí tyto částice podle velikosti a fáze, což má za následek vznik elektrického napětí. V oblaku zpravidla existují dvě hlavní centra elektrických nábojů, kladné v horní části oblaku a níže ležící záporné. Pak je tu ještě jedno relativně malé, obyčejně kladné centrum v základně oblaku.
Co je to Eliášův oheň?
Elektrické napětí v bouřkových mracích často vyústí ve vznik dvou typů výbojů. Méně nápadnými jsou tzv. hrotové výboje na koncích stromů, keřů, věží či skal, Tak je ”odsávan” elektrický náboj z ovzduší. Pokud jsou silné hrotové výboje provázeny jiskřením a někdy i praskavými zvuky, pak se jedná o Eliášův oheň.
Nejznámějším projevem atmosférické elektřiny je ale bezesporu pořádný blesk s mohutným hřměním. Ačkoliv se nám z běžného pohledu jeví jako jeden výboj, lze při značném zpomalení najít dvě jeho fáze. První, méně nápadný vůdčí blesk vytvoří vodivý kanál, jímž pak protéká značné množství proudu. Až v tomto okamžiku dosahuje svítivost blesku svého vrcholu a začíná hřmít.
Záhadný kulový blesk
Neobvyklým jevem v atmosféře je tzv. kulový blesk. Nejdříve musíme uvést, že mnohé z dramaticky popisovaných případů ”kulových blesků” jsou však velmi pravděpodobně jen projevy „obyčejného“ blesku čárového, jenž se ale nějak nezvykle choval. Přestože je tedy na místě zaujmout určitý opatrný postoj k prokázání existence kulového blesku, připusťme, že existuje mnoho poměrně věrohodných svědectví. Jeho původ však není dosud vědecky zcela objasněn. Bývá popisován jako koule o průměru nejčastěji 10 – 20 cm, obvykle červené, oranžové nebo žluté barvy, která volně pluje vzduchem nebo klesá shora dolů. Často vniká do domů, například komínem.
Když se nad pólem rozsvítí
Polární záře jsou projevem elektricky nabitých částic ve vysoké atmosféře, obvykle ve výškách od 80 do 500 km nad zemským povrchem, a to především v oblastech kolem zemských magnetických pólů. Elektricky nabité částice slunečního původu se po zachycení zemským magnetickým polem spirálově pohybují podél magnetických siločar a právě v blízkosti magnetických pólů se dostávají poměrně blízko k zemskému povrchu. Zde pak na sebe navzájem působí elektricky nabité částice a molekuly či atomy silně zředěného vzduchu, což vyvolává ony fascinující světelné efekty. U nás je však vidíme spíše vzácněji.
Proč někdy neslyšíme hrom?
Projevy atmosférické elektřiny jsou jistě úchvatné, nejsou však jedinými fyzikálními úkazy v ovzduší. Kromě nich existují třeba úkazy akustické, například akustické stíny. Tento fyzikální jev je bezprostředně spojen s lomem zvukových paprsků v atmosféře.
Na obrázku je v bodě A znázorněn zdroj akustického vlnění (rozruchu) v určité výšce nad povrchem. Jednotlivé křivky reprezentují dráhy (trajektorie) zvukových paprsků za situace, kdy teplota vzduchu s výškou klesá. Paprsky procházející atmosférou šikmo dolů se lámou od kolmice a v určitém bodě dráhy dosáhne jejich úhel dopadu kritické hodnoty pro vznik takzvaného totálního odrazu. Indexem 1 je označen zvukový paprsek, u něhož k totálnímu odrazu dochází právě v úrovni zemského povrchu. Je z toho zřejmé, že do šrafovaných oblastí na obrázku zvukové paprsky nepronikají a můžeme zde proto mluvit o akustickém stínu. Názorný příklad tohoto jevu lze někdy pozorovat při vzdálenějších bouřkách, kdy sice vidíme blesk, ale není slyšet zahřmění.
Anomální slyšitelnost
Potenciálně vhodné podmínky pro anomální slyšitelnost nastávají při výškových inverzích teploty. Zvukový paprsek směřující atmosférou šikmo vzhůru se po dosažení vrstvy s teplotní inverzí (šrafovaná vrstva) začne lámat od kolmice.
Úhel dopadu se podél dráhy paprsku neustále zvětšuje a v bodě O dosáhne kritické hodnoty pro totální odraz zpět k zemskému povrchu.
Představme si nějaký dostatečně silný zdroj zvuku, třeba vulkanický či jiný výbuch, kolem něhož je zóna normální slyšitelnosti. Zvuk šířící se podél zemského povrchu je však relativně brzy utlumen terénními nerovnostmi. Za touto zónou normální slyšitelnosti proto následuje zóna ticha. Ta však může být vystřídána další zónou slyšitelnosti, tzv. zónou anomální slyšitelnosti, jež vzniká v místech, kde akustické paprsky odražené od výškových teplotních inverzí dosahují zemského povrchu. Protože se mohutné výškové inverze teploty objevují mnohem častěji v zimě než v teplé polovině roku, je i jev anomální slyšitelnosti zpravidla zimní záležitostí.
Více se dozvíte:
Jan Bednář, Pozoruhodné jevy v atmosféře, Academia 1989.
Karel Krška – Ferdinand Šamaj, Dějiny meteorologie v českých zemích a na Slovensku, Karolinum 2001.
Meteorologický slovník výkladový a terminologický, MŽP ČR 1993.
www.chmi.cz
Lapač blesků
Světovou pověst si Prokop Diviš získal konstrukcí hromosvodu, který vztyčil na zahradě fary v Příměticích nedaleko Znojma 15. června 1754. Šlo o složité zařízení, jež mělo sloužit k ochraně před bleskem tím, že mělo odsávat náboj oblaku tichým hrotovým výbojem a tak zabraňovat vzniku bouřky. Konec jeho uzemněného hromosvodu byl však neslavný. Rozhořčení Přímětičtí stroj na odvrácení bouřek v roce 1760 strhli, jelikož jej považovali za příčinu hrozného sucha, jež postihlo jejich oblast.
Blesk „oblak-země“
Blesky mají několik podob. Mezi oblakem a zemí můžeme nejčastěji pozorovat blesky čárové, jejichž viditelná část se nevětví, a blesky rozvětvené. Ramena větví končí ve většině případů v atmosféře, v méně než 5 % však dosáhne země i některá z větví. Vzácně se vyskytuje blesk perlový nebo též čočkový s pravidelně přerušovaným kanálem blesku. Má dlouhé trvání a bývá pozorován jen za silného deště.
Kam se schovat před bleskem?
Za bouřky není žádné místo absolutně bezpečné, jsou jen místa poměrně bezpečná, například dobře uzemněné zděné, kamenné nebo železobetonové budovy nebo automobily s uzavřenou plechovou karosérií. Základním pravidlem je, že blesk si vždy hledá pro něj nejkratší a nejvodivější cestu do země. Proto nejčastěji zasáhne nejvyšší nebo nejlépe vodivé objekty v krajině. Na to však nelze zcela spoléhat! Často totiž nedokážeme odhadnout, jaká dráha je pro blesk nejvýhodnější. Obecně však platí, že za bouřky bychom se měli snažit vyvarovat situace, při které se staneme doslova hromosvodem, ať již z důvodu nejvyšší polohy v okolí či zvyšováním své vodivosti.
Není vlna jako vlna
Zvukovými vlnami v meteorologii rozumíme podélné vlny, které se šíří jako sled střídajících se zhuštění a zředění ve vzduchu. Zvukové vlny se proto nemohou šířit ve vakuu, ale pouze v prostředích vyznačujících se určitou stlačitelností.
