Co jste nevěděli o blescích

Učili jsme se, že blesky vznikají třením vzdušných mas, oblaků a ledových krystalků v nich. Nové simulace ukazují, že blesky na Zemi jsou vyvolány silnou řetězovou reakcí částic přilétajících do atmosféry z vesmíru. Nová studie tvrdí, že energie potřebná pro bouřky by mohla pocházet z laviny elektronů vybuzených extraterestriálním kosmickým zářením.

Blesk vzniká jako silný přírodní elektrostatický výboj mezi bouřkovými mraky a zemským povrchem během bouřky, kdy dochází k oddělení kladných a záporných elektrických nábojů v bouřkovém oblaku, typicky kumulonimbu. Ale jak přesně bouřková oblaka získají elektrické pole dostatečně silné na to, aby vyprodukovalo tak silnou elektrickou jiskru, blesk, zůstávalo po staletí záhadou. Stejně tak otázka, proč je vlastně blesk typicky klikatý. Nová studie využila počítačové modely, které odhalily, že blesk udeří v důsledku silné řetězové reakce, která začíná ve vesmíru. Vědci publikovali svá zjištění 28. července v časopise Journal of Geophysical Research: Atmospheres. „Naše zjištění poskytují první přesné, kvantitativní vysvětlení toho, jak blesky v přírodě vznikají,“ uvedl ve svém prohlášení hlavní autor studie Victor Pasko, profesor elektrotechniky na Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science. „Zúčastňuje se rentgenové záření, elektrická pole a elektronové laviny.“

Benjamin Franklin pouštěl draka

Elektrickou povahu blesku slavně potvrdil v roce 1752 Benjamin Franklin. Franklinův ikonický, i když často zkreslovaný, experiment, měl ověřit hypotézu, že blesk je formou elektřiny. Spolu se svým synem vypustil během bouřky draka, který měl na jednom konci asi 30cm kovový hrot a na druhém byl přivázán hedvábnou šňůrou s kovovým klíčem. Déšť šňůru namočil, čímž se stala vodivou. Franklin pozoroval, že z klíče mu přeskočila jiskra na ruku – což byl důkaz, že se v systému hromadí elektrický náboj. Tím experimentálně potvrdil, že blesk je elektrický jev, a položil základy pro vynález bleskosvodu, který chrání budovy před úderem blesku. Jeho pokus byl extrémně nebezpečný – jiní vědci při podobných pokusech byli výbojem zabiti (např. baltský profesor Georg Wilhelm Richmann jako první známá oběť kulového blesku, †1753).

Dnes pouštíme balóny a letadla

Data zaznamenaná letadly a meteorologickými balóny ukazují, že elektrické pole potřebné k tomu, aby se elektrony kaskádovitě snesly dolů na Zemi, je přibližně 10× větší než pole skutečně naměřené uvnitř bouřkových mraků.

Existují dvě soupeřící teorie, které vysvětlují, jak blesk skutečně vzniká

Již dávno je znám význam ultrafialového či obecně vysokoenergetického elektromagnetického záření, na jednu stranu vznikajícího při srážkách nabitých částic, na druhou stranu způsobujícího ionizaci vzduchu o kus dál, jehož světelná rychlost je pochopitelně řádově větší než rychlost samotných nabitých částic. Tím lze vysvětlit klikatý, po částech však úsečkový tvar dráhy blesku. Vznikly však nové teorie samotného počátku blesku.

První, teorie atmosférické statické elektřiny, předpokládá, že v bouřkovém oblaku se pomocí tření a kolizí ledových krystalků, kapiček vody a krup oddělují kladné a záporné náboje. Lehčí kladně nabité krystalky stoupají nahoru, zatímco těžší záporně nabité kroupy klesají dolů. To vytváří v oblaku silné elektrické pole. Když se náboje oddělí natolik, že mezi nimi vznikne elektrické pole s dostatečně vysokým napětím, dochází k ionizaci vzduchu, který se stává vodivým. Začne elektrický výboj, který představuje kanál blesku, jímž prochází elektrický proud. Tento výboj rychle zahřívá okolní vzduch na vysokou teplotu (až kolem 30 000 °C), což způsobuje prudkou expanzi vzduchu a vznik rázové vlny, která je slyšitelná jako hrom. Výboj může probíhat mezi částmi oblaku navzájem nebo mezi oblakem a zemí, přičemž blesk obvykle začíná vypuštěním tzv. krokového kanálu z oblaku směrem k zemi, na který reaguje opačně nabitý kanál od země. Série takových výbojů nám připadá jako blikání blesku.

Podle druhé teorie je této počáteční ionizace dosaženo kosmickým zářením – vysokoenergetickými subatomárními částicemi (většinou protony) z vesmíru, které dopadají na horní vrstvy atmosféry. Toto záření pochází ze Slunce, hvězdných explozí zvaných supernovy, rychle rotujících neutronových hvězd zvaných pulsary a dalších neznámých zdrojů. Při srážce kosmického záření s atmosférou vznikají rychlé elektrony, které ionizují další částice a vytvářejí lavinu ubíhajících elektronů. Tento proces může lokálně zvýšit vodivost vzduchu v oblaku, což vytvoří podmínky pro spuštění koronových výbojů na ledových částicích v bouřkovém oblaku. Takto startuje celý proces vzniku bleskového výboje. Tento nový pohled tak doplňuje tradiční modely vzniku blesku založené na elektrostatickém oddělení nábojů a přidává do hry vysokorychlostní částice a ionizační procesy vyvolané kosmickým zářením.

Záblesky gama záření

Zároveň byla pozorována souvislost mezi extrémními pozemskými gama záblesky (terrestrial gamma flashes, TGF) a blesky. Silná elektrická pole urychlují elektrony téměř na rychlost světla. Tyto elektrony při prudkém zpomalení emitují gama záření, které předchází samotný optický záblesk blesku jen o zlomek sekundy. Tento proces naznačuje, že elektrony mají v bouřkových mracích klíčovou roli a jejich urychlování může být mechanismem spouštějícím blesky.

Elektronové laviny iniciované kosmickým zářením

V nové studii vědci shromáždili data z pozemních senzorů, satelitů i špionážních letadel a porovnali informace s matematickým modelem, který simuloval podmínky v bouřkovém mraku předcházejícím úderu blesku. Výsledky simulace podpořily teorii kosmického záření a ukázaly, že elektrony produkované vysokoenergetickými kosmickými protony se urychlovaly podél siločar elektrického pole a množily se, když narážely na molekuly dusíku a kyslíku v atmosféře. To vede k lavině elektronů, které produkují vysokoenergetické fotony, jež nám zviditelňují blesky.

Model také překvapivě vysvětluje, proč dochází k zábleskům gama záření (vysokoenergetických fotonů) a rentgenového záření před úderem blesku. „V našem modelování generuje vysokoenergetické rentgenové záření produkované relativistickými elektronovými lavinami nové zárodečné elektrony poháněné fotoelektrickým jevem ve vzduchu, což tyto laviny rychle zesiluje,“ řekl Pasko. „Tato nekontrolovatelná řetězová reakce, kromě toho, že je produkována ve velmi kompaktních objemech, může probíhat s velmi proměnlivou intenzitou. Často vede k detekovatelným úrovním rentgenového záření, doprovázeným velmi slabou optickou a rádiovou emisí. To vysvětluje, proč tyto záblesky gama záření mohou vycházet ze zdrojových oblastí, které se jeví opticky slabé a rádiově němé.“

44 blesků za sekundu

Podle britské meteorologické kanceláře udeří blesk na planetu až 1,4 miliardkrát ročně, což je odhadem 44krát za sekundu. A je to víc než jen světelná show: Blesk hraje klíčovou roli v udržování elektrické rovnováhy Země pod kontrolou; pomáhá fixovat dusík, čímž pomáhá rostlinám růst; a potenciálně dokonce pomáhá čistit atmosféru od znečišťujících látek.

Jak dlouhý je blesk?

Většina blesků měří 3,2 km až 4,8 km na délku, ale některé skutečně kolosální blesky se po obloze rozběhnou přes stovky kilometrů.

Co určuje velikost těchto masivních blesků? Vědci se na tuto otázku snaží odpovědět již desítky let. Vertikálně je rozsah záblesku omezen výškou bouřkového oblaku nebo vzdáleností od Země k jeho vrcholu, který je v nejvyšším bodě asi 20 km. Horizontálně však oblačný systém poskytuje mnohem více prostoru. V roce 1956 meteorolog z Texasu Myron Ligda detekoval pomocí radaru záblesk o délce přes 160 km. V té době byl uznán jako nejdelší zaznamenaný blesk. Od té doby technologický pokrok umožnil vědcům měřit mnohem větší a větší záblesky. V roce 2007 vědci identifikovali nad Oklahomou blesk o délce 322 km. Ale jen o deset let později byl tento rekord překonán: V říjnu 2017 oblaky nad Středozápadem USA vypustily blesk tak obrovský, že ozářil oblohu nad Texasem, Oklahomou a Kansasem. Rozkládal se napříč těmito třemi státy v délce více než 500 km. Byl tak bezprecedentní, že skupina vědců o něm publikovala studii v časopise Bulletin of the American Meteorological Society a popsala jej jako „megablesk“. Byl to jeden z největších zaznamenaných blesků.

Ale i ten byl překonán. Při Halloweenu roku 2018 blesk nad Brazílií udeřil do vzdálenosti přes 709 km. Meteorologové byli ve střehu a 29. dubna 2020 tento rekord překonal další megablesk, který se táhl od Texasu po Mississippi a urazil 768 km. Nedávno satelitní analýza bouře z roku 2017 odhalila, že ještě větší blesk proletěl pěti státy USA za pouhých sedm sekund a stanovil tak současný rekord 829 kilometrů.

Co není vidět ze země, vidí satelity

Zatímco blesky byly tradičně pozorovány z pozemních systémů, jako jsou antény a radary, mnoho z rekordních záblesků nyní zaznamenávají satelity. Jeden z nich, nazvaný Geostationary Lightning Mapper, složený ze senzorů na dvou satelitech obíhajících kolem Země, pomohl odhalit obrovský rozsah bleskového záblesku v říjnu 2017, Systém na satelitech reaguje na světlo vyzařované z vrcholu mraků, takže vidíme světlo z blesků a můžeme ho pak zmapovat prakticky po celé polokouli.

Vznik obrů

Co se vlastně děje v těchto obrovských mracích? „Tyto megablesky se zdají být jako nepřetržitá sekvence výbojů ve velmi těsném sledu,“ řekl Christopher Emersic, výzkumný pracovník, který studuje elektrifikaci bouřek na Univerzitě v Manchesteru ve Velké Británii. Předpokládá hypotézu, že pokud je oblačný systém vysoce nabitý na velké ploše, může se jím šířit série výbojů jako řada padajících domino kostek. „Pokud jsou všechny kostky rozmístěny bez příliš velké mezery, jedna spustí další a tak dále“.

Čím větší je mateřský mrak, tím větší je možnost, že se výboj bude dále šířit, proto by megablesky mohly být v principu stejně velké jako mateřský mrak.

Máme se megablesků bát?

Navzdory apokalyptickému obrazu, který vykreslují, nejsou megablesky nutně nebezpečnější než běžné blesky. Prostorově rozsáhlý záblesk nemusí nutně znamenat, že nese více energie. Protože však oblačné systémy, ze kterých pocházejí, jsou tak rozsáhlé, může být obtížné údery megablesků předvídat. Takové události mohou často vést k úderům na zem daleko od hlavní bleskové aktivity v konvektivním jádru. Někdo na zemi by si mohl myslet, že bouře pominula, ale byl by zaskočen jedním z těchto prostorově rozsáhlých výbojů zdánlivě odnikud. Prozatím však megablesky nejsou tak běžné; odhaduje se, že tvoří pouze asi 1 % z celkového počtu blesků. Nicméně vědci budou i nadále hledat – a nepochybně objevovat – ještě větší obry, nad kterými budeme žasnout.

Zdroje: Lightning on Earth is sparked by a powerful chain reaction from outer space, simulations show | Live Science

What's the longest lightning bolt ever recorded? | Live Science