Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 21 – vyšlo 13. června, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Spouští Slunce pozemské blesky?

David Břeň

To, že blesky vznikají v Cumulonimbech, je všeobecně a dlouho známý fakt. Okolo jevu samotného blesku je ale dodnes celá řada stále nezodpovězených otázek. Například není zcela jasné, jaká je příčina separace náboje v bouřkovém oblaku nebo jaké procesy probíhají během samotného procesu blesku. Při bouřkové aktivitě se pozorují vysoce energetické záblesky gama záření. Jaká je jejich příčina? Dále se také pozorovaly spršky neutronů pocházejících z blesku. Jde snad o fúzní neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a v kanálu blesku dochází při pinčováníPinč – pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší konfiguraci (tzv. z-pinč) teče proud v ose pinče a kolem pinče vytváří azimutální magnetické pole, které působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit (pinch = stlačit). Stlačením se plazma adiabaticky zahřívá, magnetické pole koná práci. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Stabilnější jsou helikální pinče, které mají nenulovou jak azimutální tak osovou složku pole. k fúzním reakcím?

Cumulonimbus, bouřkový oblak. Zdroj: Nicholas A. Tonelli.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Kosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. 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 Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.

Slunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.

Sluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.

Vznik blesku

Další dosud nezodpovězenou otázkou je prapočátek samotného blesku. Napětí prostředí, které vede k elektrickému průrazu (dielektrická pevnost) je v suchém vzduchu okolo 3 MV/m, v prostředí atmosférického oblaku s vodní a ledovou tříští je o něco menší: „jen“ asi 2 miliony voltů na jeden metr, tj. 20 000 voltů na jeden centimetr. Takové pole se ale v typickém bouřkovém oblaku nenachází, a tedy při spuštění blesku se musí uplatňovat i jiný mechanizmus.

Vodivý drát nebo vlhký provázek průrazné napětí sníží a k výboji pak dojde poměrně snadno. „Spustit blesk“ lze například vystřelením vodivého drátu do oblaku. Z tohoto důvodu je také velmi špatným nápadem pouštění draků za bouřky. Zmíněné metody mohou sloužit k výzkumu samotného procesu bleskového výboje, ale stále nám nezodpoví otázku, jak může v atmosféře blesk vzniknout samovolně.

Blesk, jenž zapálil strom. Zdroj: Wikipedia.

Je možné, že příčin jeho vzniku je více. Jedním z často zmiňovaných spouštěcích mechanizmů je kosmické zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. 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 Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Záření, které vzniká v dalekém vesmíru, často při výbuchu supernovy, dopadá do vysokých vrstev zemské atmosféry. Při srážkách částic záření s částicemi atmosféry vznikají vysokoenergetické elektrony, a ty by pak mohly být oním spouštěčem blesku. Vědecká skupina z anglické Univerzity v Readingu ale přichází s pozorováním, při kterém nalezla souvislost mezi slunečními bouřemi a četností blýskání při bouřích na Zemi. Přes to, že částice ve slunečním větru mají mnohem nižší energii než částice kosmického záření, se ukazuje, že na pozemské bouře by mohly mít mnohem vyšší vliv, než se doposud předpokládalo.

Nedávno publikovaná studie je v podstatě hledáním korelací mezi dopadem kosmického záření, spršek částic slunečního větru a četností bouřkových výbojů. Měření slunečního větru prováděla sonda ACE (Advanced Composition Explorer) kosmické agentury NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a pozorování bouřkových výbojů bylo prováděno na území Velké Británie. Pro statistická zpracování byla brána data z let 2000 – 2005.

Tým zjistil, že těsně před příchodem vysokoenergetických částic slunečního větru poklesne celkové sluneční záření a narůstá počet slunečních skvrn. Vedoucí týmu Dr. Christopher Scott říká, že přes to, že částice slunečního větru samy nevytvářejí podmínky ke spuštění blesku, je evidentní, že existuje přímá statistická souvislost mezi sluneční aktivitou a výskytem bouřek na ZemiZemě – 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.. Bohužel zatím ale nevysvětluje přesnou souvislost mezi mechanizmem vzniku blesku a intenzitou slunečního větru u Země. Otázkou budoucího výzkumu je, zda se ve slunečním větru mohou vyskytovat vysoce energetické částice se srovnatelnou energií, jako mají částice kosmického záření, nebo zda sluneční vítr „předpřipraví“ podmínky pro interakci kosmického záření s atmosférou. Vědecký tým z Readingu nyní chce rozšířit svá pozorování na celou Evropu. Pokud se prokáže významnější statistická souvislost mezi sluneční aktivitou a bouřkami na Zemi, pak by mohl mít tento výzkum vliv i na bezpečnost v letecké dopravě.

Bouřková aktivita a polární záře. Záznam z Mezinárodní kosmické stanice.
Zdroj NASA/ISS. (mp4/h264, 26 MB)

Odkazy