Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 4 – vyšlo 24. ledna, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

4/2014

Na stopě kulovému blesku

Petr Kulhánek

Kulový blesk je jedním z přírodních úkazů, jehož vědecké vysvětlení dodnes chybí. I přes tisíce doložených pozorování není jasné, jak kulový blesk vzniká a jakou má povahu. Je zřejmé, že vznik alespoň některých kulových blesků souvisí s bouřkovou činností. Chování kulových blesků je natolik atypické oproti všemu, co známe, že tyto útvary vzbuzují respekt a vyvolávají pocit tajemna. A lidé nadevše milují záhady.

Podle doložených svědectví mají kulové blesky velikost od několika centimetrů až po rozměr většího míče. Svítí bíle, žlutě, oranžově, mohou mít namodralý okraj, který někdy splývá s okolím, jindy je ostrý. Tu a tam z povrchu kulového blesku srší jiskry nebo vybíhají svítící jazyky. Pozorovatelé nepociťují teplo. Úkaz zpravidla trvá několik desítek sekund. Nejpodivnější je pohyb kulového blesku. Někdy se volně vznáší, jindy prudce poskakuje. Dokáže projít miniaturní skulinkou. Pohybuje se podél vodičů nebo jiných předmětů, někdy nehlučně, jindy s tichým bzukotem. Přívětivá tvář kulového blesku se může změnit. Dokáže rozbít nábytek, prorazit stěnu nebo vytrhnout dveřní zárubeň ze zdi. A jak celý úkaz končí? Někdy se svítící koule potichu rozplyne, jindy hlasitě rozprskne, tu a tam se rozdělí na několik menších nebo vylétne z uzavřené místnosti komínem. To může souviset s tím, že komín pokrytý sazemi tvoří přirozený vlnovod. Možná je takový konec blesku jádrem historek o čertech přilétajících komínem.

Rytina G. Hartwiga z roku 1886 patří k raným vyobrazením kulového blesku. Zdroj [6].

Kulový blesk – Zatím ne zcela objasněný jev, pravděpodobně koule z plazmatu objevující se při bouřkách. Kulový blesk má typicky 30 centimetrů v průměru a trvá po dobu několika sekund. Křemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). Spektrum – rozklad elektromagnetického záření (většinou světla) na jednotlivé vlnové délky. Zpravidla se provádí za pomoci hranolu nebo mřížky. Spektrum slunečního světla může také vzniknout na vodních kapkách jako duha. Ve spektru se nachází kontinuum (spojitě se měnící barvy) a charakteristické spektrální čáry. Světlé se nazývají emisní (vznikají emisí fotonů) a tmavé absorpční (vznikají absorpcí fotonů).

Kulový blesk

V literatuře popsaná pozorování kulových blesků jdou do tisíců. Jeden kulový blesk by podle optimistických odhadů měl připadnout na přibližně 200 blesků čárových, podle pesimistických jde o jeden případ z milionu. Pozorovány byly v uzavřených místnostech, v letadlech i v otevřené přírodě. Laici obtížněji odhadují vzdálenost, velikost, rychlost a zaměňují kulový blesk s jinými jevy nebo optickými klamy. Část lidí si také nepochybně vymýšlí a chce na sebe upoutat pozornost. I tak ale zůstává mnoho seriózních pozorování, která nás nenechají na pochybách, že kulový blesk je reálným a významným atmosférickým jevem.

K nejcennějším patří pozorování prováděná vědci, těch je ale velmi málo. První pozorování navíc dopadlo tragicky. Profesor George Richmann v Petěrburgu sváděl atmosférickou elektřinu ze střechy do laboratoře. V roce 1753 sjel za bouře po drátu výboj, který vytvořil malou kouli, a ta Richmana zabila. V roce 1963 pozoroval v kabině letadla kulový blesk americký radioastronom Roger Jennison. Kulový blesk také sledoval v roce 1965 při stanování na břehu řeky sovětský chemik Dmitriev. V roce 2013 se k tomuto výčtu přidalo jedno čínské pozorování, o kterém se podrobněji zmíníme v další části textu.

Existují stovky teorií o původu kulového blesku. Některé z nich jsou úsměvné a je jasné, že patří do říše nereálných teorií či pohádek. Jde o sání energie z vakua, malé černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují., meteorityMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. z antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů., zjevující se anděly nebo duše hříšníků.

Teorie, která chce být alespoň částečně úspěšným kandidátem na vysvětlení jevu kulového blesku, se musí vypořádat s několika problémy. Prvním je zdroj energie blesku. V zásadě může být elektrostatický, elektromagnetický, chemický nebo jaderný. Druhou otázkou je, zda je kulový blesk samostatnou a od okolí izolovanou energetickou jednotkou, nebo zda nějak získává energii ze vzdálenějšího okolí. Příkladem je tichý nezářící výbojový kanál, kterým proudí energie do místa, kde se malá část kanálu navenek zviditelnila v podobě kulového blesku. Třetí záhadou je mimořádná stabilita kulového blesku. Vydrží minimálně několik sekund, někdy předvádí své divadlo déle než minutu. Čtvrtým problémem je teplota blesku. Žádný pozorovatel nepociťoval teplo sálající z kulového blesku. Buď musí jít o relativně chladný útvar, nebo jde o horkou kouli, která je od okolí účinně izolována. Správná teorie musí také vysvětlit pozorované sluchové a čichové vjemy.

Každá ze stávajících teorií vysvětluje jen některé jevy spojené s kulovým bleskem. Skutečné řešení je dodnes neznámé. Může jít dokonce o kombinaci několika jevů naráz, nebo jako „kulový blesk“ označujeme několik fyzikálních jevů, které mají různou podstatu.

Kulovou strukturu může vytvořit i meteorická stopa. Tato působivá fotografie byla pořízena farmářem Chasem Brownem dne 24. března 1933 v časných ranních hodinách v Pasamonte. Při fotografování byla koule 40° nad obzorem, poté prolétla farmáři nad hlavou. Není jasné, zda zkroucenou strukturu za koulí způsobil pohyb fotoaparátu, nebo má fyzikální příčinu. Zdroj: Proc. of the Royal Sociaty A.

Křemíkový blesk

K nejnadějnějším hypotézám patří především různé formy elektrostatického nebo vysokofrekvenčního elektromagnetického výboje, například mikrovln generovaných v bouřkové oblasti. Viditelnou částí je plazmatická koule izolovaná nějakým způsobem od okolí. Často se také uvažuje o chemické podstatě energie kulového blesku. Za bouřky vznikají exotické a energeticky bohaté sloučeniny dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. a uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.. V současnosti je nejpopulárnější variantou chemického blesku tzv. křemíkovýKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). blesk, jehož hypotézu rozpracovali v roce 2000 novozélandští fyzikální chemici John Abrahamson a James Dinniss z Cantenburské univerzity.

Při úderu normálního blesku do půdy se prudce zahřeje místo dopadu a z křemičitanů a oxidu křemičitého vzniknou nanočástice čistého křemíku Si, monooxidu křemíku SiO a karbidu křemíku SiC. Nanočástice mají elektrický náboj a ten způsobí jejich řetězení do vláknité sítě. Vznikne útvar podobný chomáči vaty, jehož část je z půdy vytlačena nad povrch, kde dochází k postupné oxidaci, při níž se uvolňuje značné množství energie v podobě světla a tepla. Oxidace jak Si tak SiO je bouřlivou reakcí, při které vznikají stabilní molekuly oxidu křemičitého SiO₂. Ten vytvoří na povrchu vatovité struktury jakousi slupku, jež brání další prudké oxidaci. Útvar tak pomalu doutná uvnitř a na povrchu je relativně chladný. Většinou zaujme kulový tvar, který má nejmenší možnou energii. Je ale snadno formovatelný i do jiných tvarů. Může se pohybovat vodorovně, neboť je jeho hustota srovnatelná s hustotou vzduchu. Chomáč si v nitru udržuje vysokou teplotu a může postupně vyhasnout. Pokud vnitřní teplota stoupne nad určitou mez, kulovitá struktura zakončí svůj život explozivně. Autoři teorie detailně vysvětlují většinu z pozorovaných vlastností kulového blesku (ale bohužel ne všechny). Svou teorii podpořili i experimenty – podobné struktury se jim podařilo vytvořit za pomocí výbojů směřujících do půdy. Abrahamsonova-Dinnisova teorie je velmi nadějná a mohla by popisovat kulový blesk vzniklý v přímé souvislosti s dopadem čárového blesku.

V roce 2006 se podařilo Elimu Jerbyovi a Vladimiru Dikhtyarovi z Tel Avivské univerzity vytvořit levitující kulové struktury při ozařování vzorku křemíku intenzivními mikrovlnami, které natavily a částečně odpařily ozařovaný materiál. Vzniklé struktury měly rozměry kolem 3 centimetrů a dobu života 30 až 40 ms po vypnutí mikrovlnného zdroje. V lednu 2007 publikovala skupina brazilských vědců, v jejichž čele stáli Gerson Silva Paiva a Antonio Carlos Pavão z Federální univerzity v Pernambuco, jiný zajímavý experiment. V obloukovém výboji v křemíku vytvořili kulové struktury o průměru 1 až 4 centimetry, které přetrvávaly po dobu 2 až 5 sekund a svítily namodralým nebo oranžovým světlem. V těchto i dalších experimentech nebyla ale nijak jasná souvislost vytvářených kuliček s přírodními kulovými blesky.

V různých experimentech s výboji, ať už jiskrovými, obloukovými či mikrovlnnými, vznikají kulové struktury. Na snímku je výsledek interakce mikrovln se vzorkem půdy, Experiment byl proveden v mikrovlnné troubě na Tel Avivské univerzitě v roce 2006. Souvislost těchto umělých kulových struktur s přírodními kulovými blesky není zcela jasná. Zdroj [7].

Čínské pozorování

Čínské skupině vědců, kteří dlouhodobě pozorovali bouřkovou aktivitu, se podařil husarský kousek. Dvěma kamerami nafilmovali vznik kulového blesku a ještě pořídili záznam časového vývoje jeho spektra. To se doposud nikomu nepodařilo. Pozorování se uskutečnilo dne 23. července 2012 v 21:54:59 pekingského času na náhorní planině Qinghai Plateau v místě se souřadnicemi 37,013473°S, 101,620080°V a s nadmořskou výškou 2 530 m. Publikace o tomto vzácném pozorování byla zaslána do časopisu Physical Review Letters v dubnu 2013. Po obvyklém zdlouhavém recenzním řízení vyšel článek až v lednu 2014, kdy se o vzácné nahrávce dozvěděl po roce a půl vědecký svět. Skupina z několika univerzitních pracovišť rutinně pořizovala spektra běžných čárových blesků. K dispozici měla dva spektrografy s rovinnou mřížkou s 600 vrypy na milimetr. Záznam byl pořizován jednak vysokorychlostní kamerou a jednak digitální videokamerou. Vysokorychlostní kamera byla sice černobílá, ale umožňovala pořídit 3 000 snímků za sekundu s rozlišením 1280×400 pixelů a vlnovým rozsahem 400 až 1 000 nanometrů. Digitální videokamera pořizovala standardní barevný záznam s frekvencí 50 snímků za sekundu, rozlišením 640×480 pixelů a spektrálním rozsahem 400 až 690 nanometrů.

V inkriminovaný den došlo k bouřce a přibližně 900 metrů od přístrojové techniky udeřil čárový blesk mezi mrakem a zemí. V místě dopadu se objevila koule, která vydržela svítit 1,64 sekundy. Videokamera nahrála celý proces vzniku kulového blesku a jeho vývoj na 82 snímcích. Pořídila jak spektrum čárového blesku, tak kulového blesku, který přetrvával i po jeho zániku. Obě spektra se výrazně liší. U běžného blesku jsou převážně spektrální čáry jedenkrát ionizovaného dusíku (to odpovídá běžné teplotě bleskového kanálu kolem 30 000 K). Ve spektru kulového blesku jsou výrazné čáry neutrálního křemíku, železa a vápníku, což poukazuje na nižší teplotu, ale tu se nepodařilo ze spektra jednoznačně určit. Vysokorychlostní kamera neměla takové štěstí, záznam začíná až v čase 0,78 sekundy po vzniku kulového blesku a celkem čítá 2 360 snímků. Dobře patrný je časový vývoj spektrálních čar, jejichž intenzita zjevně vykazuje oscilace s frekvencí 99,4 Hz. Vzhledem k tomu, že v těsné blízkosti vzniku kulového blesku bylo vedení vysokého napětí (35 kV, nejbližší vodič byl 20 metrů od kulového blesku), je pravděpodobné, že jde o druhou harmonickou základní rozvodné frekvence a jde tedy o pouhé rušení pozorování, které s kulovým bleskem nesouvisí.

Levý snímek byl pořízen videokamerou v době vzniku kulového blesku (KB). Na snímku je jak čárový (ČB), tak kulový blesk a spektra obou objektů. Druhý obrázek byl pořízen o 20 ms později., Čárový blesk zcela zmizel, je patrný jen kulový blesk a jeho spektrum. Zdroj: PRL.

Spektrum kulového blesku pořízené vysokorychlostní kamerou. Z celkem 2 360 pořízených snímků byl vybrán ten, jenž odpovídá času 0,647 s. Dobře jsou patrné výrazné čáry neutrálního křemíku, železa a vápníku, což jsou prvky zastoupené v půdě, do které udeřil čárový blesk. Zdroj: PRL.

Ze vzdálenosti místa a počtu pixelů, který zabrala kulová svítící oblast, bylo možné určit její rozměry. Ty vychází až 7 metrů. Musíme si ale uvědomit, že i při laboratorních experimentech jsou pozorovány svítící kulové struktury o rozměrech několika centimetrů, ale zdrojem světla je malé husté jádro o milimetrových rozměrech. Co se tedy týče velikosti, šlo by o atypický kulový blesk, pokud bychom uvažovali celou svítící oblast zabranou kamerou. Skutečný zdroj světla ale mohl být o řád menší (kamery filmovaly ze vzdálenosti téměř kilometr!). Z kamer bylo možné přesně určit projekci rychlosti kulového blesku do roviny kolmé na zorný paprsek – vyšlo 8,6 metrů za sekundu, což je ve vynikajícím souladu s odhady z pozorování jiných událostí. Na počátku byl kulový blesk fialově bílý, kolem 80 milisekund se barva změnila na oranžovou, mezi 160 a 1 160 ms šlo o bílou barvu a v závěrečné fázi struktura zčervenala.

Časový vývoj kulového blesku pořízený videokamerou. Na prvním obrázku je ještě patrný čárový blesk, na dalších už ne. Zřetelná je i změna barvy útvaru. Zdroj: PRL.

Výřez části nahrávky pořízené videokamerou. Na úplném počátku je vlevo patrná i část čárového blesku a jeho spektra. Ve zbytku videa už figuruje jen kulový blesk, který mění barvu a velikost. Zdroj: LiveLeak. (mp4, 80 kB)

Závěr

Zatím nikdy v historii nebyl pozorován kulový blesk vědeckými přístroji s takovými detaily, jako se to podařilo čínským vědcům. Historicky jde o první podrobný záznam včetně pořízení spektra a časového vývoje. Spektrum je silným argumentem ve prospěch křemíkové hypotézy novozélandských vědců. Nyní je vysoce pravděpodobné, že po úderu běžného blesku do půdy může vzniknout křemíkový kulový blesk. Nicméně je také nepochybné, že kulových blesků musí existovat více druhů, neboť křemíková hypotéza není schopná vysvětlit občasná pozorování kulových blesků v kabinách letadel. V každém případě je pozorování z roku 2012 (zveřejněné v roce 2014) zcela výjimečné a výrazně přispělo k pochopení fenoménu kulového blesku.

V úvodní části bulletinu byly použity některé starší texty autora citované v odkazech.

Odkazy