Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 22 – vyšlo 19. června, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

22/2015

Akustický výzkum blesků a hromů

Petr Kulhánek

S bouřkami se v běžném životě setkáváme pravidelně, a snad právě proto většina z nás nabyla dojmu, že jde o dobře prozkoumaný komplex jevů. Opak je ale pravdou. Nejasnosti jsou nejen kolem detailů nabíjení bouřkových oblaků, ale není ani známé, proč dojde k samotnému průrazu a vzniku blesku. Napětí za bouřky totiž není dostatečně veliké. Snad průrazné napětí sníží přítomnost sekundárních částic kosmického 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., jak navrhl Alexandr Gurevič v roce 1992, snad mohou pomoci hydrometeority (viz AB 17/2013). Víme, že za bouřky vzniká rentgenové záření, ale detailní mechanizmy jeho vzniku jsou opět obestřeny tajemstvím. Snad se urychlené protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. integrují do atomových jader a vytváření krátkodobé radioaktivní izotopyIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd.. Při bouřkové aktivitě jsou pozorovány gama záblesky (z družic i z pozemských stanic). Jejich původ snad souvisí se zářením extrémně energetických elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., které jsou urychlovány elektromagnetickými vlnami generovanými při bouřce (samozřejmě vše za přítomnosti zemského magnetického pole). Nevíme, jak vznikají atypické blesky – modré výtrysky, červené přízraky a těžko se smiřujeme s tím, že o kulových blescích toho dnes nevíme o moc více než před půl stoletím. K poznání jevů při bouřkové aktivitě mohou napomoci aktivní experimenty, při kterých je blesk vyvolán uměle a zkoumán za pomoci různých zařízení. O jedné sérii takových experimentů bude dnešní bulletin.

Krajina za bouřky. Zdroj: Glen McClure, Itali, Trevi, 2015.

Krokový kanál – prostředí, kterým jsou vedeny elektrony při bleskovém výboji z mraku k Zemi. Krokový kanál vzniká postupně jako série jasných úseků, každý z nich je dlouhý přibližně 30 metrů a trvá méně než mikrosekundu. Další úsek se objeví přibližně po 50 mikrosekundách. Celý krokový kanál existuje kolem jedné setiny sekundy a k zemi se pohybuje rychlostí 300 kilometrů za hodinu. Jakmile se krokový kanál přiblíží k zemi, objeví se proti němu kladný kanál vystupující ze země. Kladný kanál – kanál, který se v úvodní fázi blesku vytvoří ze země proti krokovému kanálu přicházejícímu z oblaku. Kladný kanál je dlouhý maximálně 50 metrů. Po jejich spojení vznikne vodivá cesta pro hlavní výboj, který nejprve přichází z oblaku k zemi a je následován zpětným výbojem ze země k oblaku. Zpětný výboj – poslední fáze bleskového výboje, při níž postupuje výboj od země k oblaku rychlostí 0,1 až 0,5 rychlosti světla. Tato fáze je nejjasnější, lidské oko ji vnímá jako blesk. Zpětný výboj se několikrát opakuje, proto oko vidí jakési mihotání. SwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů.

Experimenty na Floridě

Velmi zajímavé experimenty provádí skupina vědců pod vedením Dr. Mahera Dayeha z SwRISwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů. ve spolupráci s Mezinárodním střediskem pro výzkum blesků a jejich testování, které je součástí Floridské univerzity v Gainesville, kde je bouřková aktivita nejčastější z celého území Spojených států. Vědecký tým se nespoléhá na náhodné výboje, ale vytváří blesky aktivně. Do bouřkového oblaku vypustí malou raketku (cca 1 metr dlouhou), která za sebou táhne tenký měděný drát zpevněný kevlarem (typický průměr je 0,2 mm). Ten poslouží jako vodivý kanál, kterým udeří blesk. Výhodou je dobře definovaná dráha blesku, nevýhodou je, že není možné zkoumat počáteční fáze průrazu, při kterých se u skutečného blesku musí vytvořit vodivý kanál jiným způsobem. Velké nejasnosti jsou ale i u mechanizmu vzniku hromu – zvukové rázové vlny doprovázející blesk. Není totiž jasné, ve které fázi bleskového výboje hrom vzniká a jaké fyzikální procesy se při jeho vzniku uplatňují. A právě na tuto problematiku jsou nové výzkumy v SwRI zaměřeny.

Výskyt hromů a blesků lze jen obtížně předpovídat, proto se tyto jevy nejlépe studují při vyprovokovaných událostech. Z odpalovací rampy je vypuštěna do bouřkového oblaku malá raketka, za níž se táhne uzemněný měděný drát. Měď poslouží jako vodivý kanál a vytvoří předpověditelnou dráhu blesku. Vědci proto mohou kolem předpokládané dráhy blesku (v okolí rampy) rozmístit přístroje. Experimenty tohoto druhu jsou opakovatelné a probíhají v těsné blízkosti kanálu blesku. Odborníci z SwRI provádějí tyto experimenty v Mezinárodním středisku výzkumu blesků při Floridské univerzitě v Gainesville, Na videu je událost z 14. července 2014. (mp4/h264, 1 MB)

Vědci se rozhodli zkoumat akustický podpis vzniku blesku, a proto rozmístili ve vzdálenosti 95 metrů od odpalovací rampy pole patnácti mikrofonů. Mikrofony měřily výškový profil akustických projevů blesku a byly umístěny ve vzájemné vzdálenosti 1 metr. Ukázalo se, že na nízkých frekvencích je „podpis“ blesku nečitelný, ale na vyšších frekvencích dává charakteristické a dobře interpretovatelné obrazce, které je samozřejmě třeba dále počítačově zpracovat do výsledného „snímku“ akustického pole v okolí blesku. Zdá se, že touto metodou bude možné zkoumat jednotlivé fáze bleskového výboje, včetně větvení kanálu a formování krokového kanáluKrokový kanál – prostředí, kterým jsou vedeny elektrony při bleskovém výboji z mraku k Zemi. Krokový kanál vzniká postupně jako série jasných úseků, každý z nich je dlouhý přibližně 30 metrů a trvá méně než mikrosekundu. Další úsek se objeví přibližně po 50 mikrosekundách. Celý krokový kanál existuje kolem jedné setiny sekundy a k zemi se pohybuje rychlostí 300 kilometrů za hodinu. Jakmile se krokový kanál přiblíží k zemi, objeví se proti němu kladný kanál vystupující ze země.. Vědci totiž doufají, že by se větvení kanálu a přechody mezi jednotlivými „kroky“ výboje mohly projevit akusticky.

Záznam události ze 14. července 2014. Nalevo (a) je fotografie vzniklého blesku s dlouhou expoziční dobou. Měděný drát měnící se v plazmaPlazma – 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. svítí zeleně, devět následujících zpětných výbojůZpětný výboj – poslední fáze bleskového výboje, při níž postupuje výboj od země k oblaku rychlostí 0,1 až 0,5 rychlosti světla. Tato fáze je nejjasnější, lidské oko ji vnímá jako blesk. Zpětný výboj se několikrát opakuje, proto oko vidí jakési mihotání., které vzniklým kanálem postupně proběhly, svítí fialově. V pravé části je časový vývoj akustického záznamu. Jednotlivé barvy odpovídají měřenému akustickému tlaku (viz stupnice vpravo nahoře). Záznamy (b) až (g) odpovídají postupně rostoucím časovým úsekům. Je na nich zachyceno všech devět zpětných výbojů. Jejich zakřivení na záznamu je způsobeno efektem konečné rychlosti zvuku. Za zdvojení stopy prvního zpětného výboje na záznamu (b) by měl být zodpovědný silný proudový impulz, který se projevil zvýšením akustického tlaku. Zdroj: SwRI/Floridská univerzita.

Závěr

Skupina vědců vedená Dr. Maherem Dayehem představila svou novou metodu výzkumu blesků na společném setkání Americké geofyzikální společnosti a Kanadské geofyzikální společnosti v kanadském Montrealu, které proběhlo ve dnech 3. až 7. května 2015. Příspěvek sklidil zasloužený ohlas a ukázal zcela novou cestu výzkumu bleskových výbojů. Akustické „snímky“ bleskových výbojů mají vynikající rozlišení, a to skupina předvedla jen jakési prvotiny pořízené polem patnácti mikrofonů. Do budoucna se uvažuje o podstatně kvalitnější síti akustických detektorů. Akustický výzkum blesků má vysokou šanci přispět k pochopení dosud nepoznaných procesů probíhajících při bouřkách, zejména pokud budou akustická čidla doplněna i dalšími senzory, například magnetického pole.

Odkazy