Majestátne blesky

Dnes na tému bleskov. Od klasických, cez guľové až po Elfov, Škriatkov a Sršania v ich čarodejnom svete hornej atmosféry. Vznikol život na prvotnej Zemi vďaka bleskom? Skutočne kopol Benjamina Franklina výboj blesku? 

Výskum bleskov, čo je a ako vzniká blesk

Mytológia

Fenomén blesku fascinoval ľudské pokolenia už od počiatku vekov. Tento pôsobivý úkaz, zostupujúc z oblohy naším predkom pravdepodobne „zniesol“ prvý oheň. V dávnych časoch sa blesku pripisovali nadprirodzené vlastnosti a spájali sa s ním božstvá, napríklad v Grécku či v slovanskej mytológii tie najvyššie postavy mytologických panteónov Zeus a Perún. Mimochodom, od Perúna je odvodené slovo Parom. Niet sa čomu čudovať, keď si aj dnes tento úchvatný prírodný úkaz nájde svojich priaznivcov.

Začiatky výskumu bleskov

Myšlienka, že blesk je vlastne elektrický výboj sa prisudzuje americkému vedcovi a exprezidentovi v jednej osobe Benjamin- ovi Franklin-ovi. Ten bol tak fascinovaný týmto úkazom, že neraz vedome riskoval svoj život, len aby mohol o bleskoch zistiť čo najviac. 10. mája 1752 vykonal nebezpečný pokus s papierovým drakom, ktorého vypúšťal pomocou bavlneného lanka na ktoré uzlíkom prichytil kovový kľúč, cez ktorý prechádzal ďalej kovový drôt do Leidenskej fľaše, čo bol prvý kondenzátor. Z bezpečnostných dôvodov ale odizoloval časť, ktorou držal v rukách celého draka. Papierový drak sa podľa záznamu dostal do búrkového mračna, v ktorom nakoniec zachytil blesk, ktorý sa prejavil ako silný elektrický výboj, ten prešiel cez ľanový (mokrý a teda vodivý) špagát až ku kľúču, ktorý vraj Franklina kopol a výboj následne skončil v Leidenskej fľaši, ktorá sa nabila. Tento prvý kondenzátor tak dokázal, že blesky sú elektrického pôvodu.

Naozaj to ale bolo tak? Naozaj Franklina kopol prúd z kľúča? Mnoho ľudí, uvedomujúc si silu elektrického prúdu blesku o tom pochybovalo.

V seriáli Mythbusters - Rúcači mýtov / Bořiči mýtu, tento pokus zopakovali s omnoho slabším elektrickým výbojom.
 

Výsledok jasne ukázal, že Franklin by takýto pokus celkom určite neprežil.
 

Ako vzniká blesk?

Blesk vzniká pri búrkach, pre ktoré sú charakteristické búrkové mračná napríklad typu Cb (Cumulonimbus). Výstupné a vstupné prúdy vyvolávajú silnú turbulenciu s rýchlosťami niekoľko desiatok metrov za sekundu. Centrum kladného náboja sa nachádza v hornej časti oblaku a centrum negatívneho náboja na dolnej strane mračna. Najčastejšou príčinou vzniku výboja je prichádzajúci studený front, ktorý vytláča teplý (ľahší) vzduch do vyšších vrstiev atmosféry.

Po prekročení mínusových teplôt v mračne sa stane z vodnej kvapky záporne nabitý kúsok ľadu, ktorý je obalený tenkou vrstvičkou elektricky kladne nabitej vody. Vzájomným zrážaním sa týchto nabitých zmrznutých kvapiek sa oddeľuje kladný a záporný náboj. Ľad sa pri zrážaní o ďalšie kúsky ľadu zbavuje kladne nabitej vrstvičky vody, ktorá je ľahšia a je unášaná turbulenciami smerom nahor. Ťažší ľad tak potom padá smerom nadol. Takto sa na oboch stranách mraku hromadia elektrické potenciály a rastie rozdiel potenciálu medzi nimi. Pod potenciálom rozumieme fyzikálnu veličinu, ktorá určuje, koľko energie je potrebné na prenesenie elektrického náboja do vzťažnej sústavy s nulovým potenciálom, ktorou môže byť aj zemský povrch. Je to vlastne pomer množstva kladných a záporných nábojov. Oblak začína indukovať elektrický náboj, kde sa vytvorí alebo viac negatívne alebo pozitívne nabitých častíc a vzrastá elektrické napätie medzi hornou a dolnou časťou mračna. Jediným izolátorom (dielektrikom) je v tomto prípade vzduch, ktorý zabraňuje vzniku elektrického výboja (blesku). Ale aj vzduch sa po čase ionizuje (to závisí od teploty, vlhkosti vzduchu a okolitej hustoty elektrického náboja). Keď sa stane vzduch vodivým, vzniká elektrický výboj, ktorý pozorujeme ako blesk. Po tomto výboji opäť dochádza k vyrovnaniu potenciálov v mračne a (dočasnému) odstráneniu napätia medzi koncami mraku.

Blesk zasiahol raketoplán Challenger pred štartom misie STS-8. Credit: NASA

Čo je blesk?

Blesk je silný elektrický výboj, ktorý vzniká v dôsledku nahromadenia záporných a kladných elektrických nábojov v mračnách. Tento výboj s teplotou cez 30 000 °C je sprevádzaný emisiou fotónov. Stredná intenzita prúdu blesku je cez 20 000 A a napätie cez 100 miliónov Voltov. Hrom, akustický jav, ktorý je počuť pri výboji je spôsobený extrémne rýchlym roztiahnutím a zmrštením vzduchu v okolí výboja pre vysoké teploty.

Blesk býva spravidla dlhý od pár desiatok metrov až po pár kilometrov. Vybitie, respektíve doba trvania blesku (vyrovnania potenciálov) je od 1ms až po pár sekúnd. Približne 75% bleskov, ktoré pozorujeme vzniká vo vnútri mraku alebo medzi dvomi rozdielne nabitými (susednými) mračnami. Zvyšok bleskov vyrovnáva elektrický potenciál úderom do zemského povrchu.

Poznáme dva druhy bleskov, pozitívny a negatívny. Väčšie zastúpenie (podiel) má negatívny blesk, v konkrétnych situáciách, ale veľmi záleží na aktuálnych poveternostných podmienkach a polohe. Napríklad negatívny blesk, ktorý sa dotýka kladne nabitého zemského povrchu iniciuje náboje na zemskom povrchu a ten vytvorí vzostupný výboj. Pri samotnom kontakte blesku so zemským povrchom začne extrémne rýchlo pretekať elektrický náboj, čo je najnebezpečnejšia etapa blesku. Toto pretekanie voláme vyrovnávaním potenciálov, ktoré sme si popísali vyššie. Dá sa povedať, že blesky sú akýmsi prírodným nástrojom na udržiavanie elektrickej rovnováhy Zeme.

Blesky zasahujúce Eiffelovu vežu v roku 1920.

 

Ochrana pred bleskom

Ako sa chrániť? Je dôležité veľmi nevyčnievať „z radu“, to znamená, že nesmieme zbytočne vytŕčať, čo sa stáva, ak nás búrka zastihne na šírej rovnej lúke, otvorenom priestranstve. Je dobré nevyhľadávať odľahlé domy, vyvýšené kopce, vodné toky a nádrže, stožiare a iné podobné miesta. Voda je vodičom elektrickej energie a preto sa snažíme pri búrke ostať čo najviac v suchu a nedotýkať sa telom vlhkých stien, podlahy alebo pôdy.

Dodržujte tzv. krokové napätie, ktoré súvisí (opäť) s rozdielnymi potenciálmi. Ak udrie blesk do zeme, prúd sa ešte spravidla niekoľko desiatok metrov šíri od miesta, kde udrel blesk. Rastúcou vzdialenosťou od miesta zásahu bleskom klesá potenciál, pretože zem energiu blesku absorbuje. Ak budeme mať naše chodidlá jeden meter od seba, každá topánka „stojí“ na mieste s iným potenciálom, medzi ktorými tečie elektrický náboj, čo môže spôsobiť nežiaduci výboj priamo do nôh a celého tela. Nestojte preto počas búrky na vrchole kopca rozkročený, neodporúčame. Odporúčame vypnúť všetky elektrické spotrebiče (mobil, GPS), zbaviť sa kovových predmetov ako sú hodinky, opasky, okuliare, ktoré síce samotné blesky nepriťahujú ale cez ne sa ľahšie dostanú cez pokožku do ľudského tela. Pokožka tela má totiž elektrický odpor, ktorý zvyčajne, ak dodržíte všetky základné pokyny, odpudí blesk, ktorý preskočí (skĺzne) z pokožky na miesto s menším elektrickým odporom a tak vás ochráni pred smrteľným zranením.

Len veľmi málo ľudí prežije priamy zásah bleskom. Väčšinou je to vďaka tomu, že elektrický výboj trvá extrémne krátko a nezasiahol životne dôležité orgány. Najnebezpečnejšia situácia (smrteľná) je, ak bleskový výboj prejde cez hlavu a vychádza z dolnej končatiny. V ceste mu tak stoja životne dôležité orgány, hlavne centrálna nervová sústava, ktorej poškodenie vedie k strate dýchacieho reflexu (strata dýchania) a zástave srdca.

Účinnou a najznámejšou formou ochrany pred bleskom je bleskozvod. Skladá sa z troch častí, prvá má za úlohu blesk zachytiť skôr, než udrie do domu a spôsobí požiar alebo ujmu na zdraví. Druhá časť tvorí spoje, ktoré spájajú chytač bleskov s uzemňovacou časťou. Tretia uzemňovacia časť je zakopaná v určitej predpísanej hĺbke a má za úlohu vybiť blesk a tak eliminovať sekundárny výboj, podobný práve úderu blesku do pôdy. Každá dobrá inštalácia v rodinnom alebo bytovom dome ho má.

 

Svet bleskov, TLE, úloha bleskov pri vzniku života

Svet bleskov

Dlhodobo jedným z najzáhadnejším javov zo sveta bleskov je guľový blesk. Existuje viacero teórií jeho vzniku. Vie sa, že môže vznikať v miestach kde sa blesk dotkne zemského povrchu a spáli pôdu na rôzne kremičité zlúčeniny ako je sklo alebo spontánne ako sekundárny produkt hlavného výboja blesku (kanála), ktorý z neho vyšľahne ako guľová strela. Vznikne tak horúca plazma, ktorej guľový tvar ešte nevieme celkom presne vysvetliť. Predpokladá sa ale, že za to môže elektromagnetické pole, ktoré dočasne udržuje túto plazmu po kope. V priemere sa guľové blesky vyskytujú vo veľkostiach približne 30cm s dĺžkou trvania od pár sekúnd po pár minút. Guľový blesk sa vždy akoby z ničoho nič vyparí v zlomku sekundy alebo za sprievodu veľkého výbuchu.

Existujú aj mimoriadne odvážne teórie vzniku guľového blesku. Napríklad, že guľový blesk je mikroskopická čierna diera alebo že UFO a guľový blesk je v mnohých prípadoch jedna a tá istá vec.

V minulosti sa stali prípady, kedy guľový blesk zranil či dokonca aj zabil človeka alebo úplne zdemoloval celé domy, byty či elektrotechniku. Tak ako sa to stalo pred necelým pol rokom v Liberci, v českej republike, kde dispečinkom záchrannej služby preletel guľový blesk a zničil všetky počítače. Dovnútra objektu sa dostal cez pootvorené okno a zmizol v podlahe. Blesky existujú aj mimo našej planéty. Boli pozorované na Jupiteri, Saturne a ich mesiacoch a čo je fascinujúce, dokonca medzi mesiacom Io a Jupiterom občas prebehne elektrický výboj podobný práve blesku. Je zrejme zapríčinený extrémne silným magnetickým poľom Jupitera, ktoré je až 14-krát silnejšie ako magnetické pole na Zemi. Ako vodič pre tento výboj slúži vyvrhnutá ionizovaná magma z vulkanicky aktívnych častí mesiaca Io, ktorú gravitačne priťahuje Jupiter. Io je známy práve vďaka neutíchajúcej sopečnej aktivite, vďaka ktorej sa jeho povrch dramaticky mení.

Eliášov oheň je ďalší úkaz, ktorý môžeme občas pozorovať. Môžete si ho predstaviť ako modro svetielkujúcu „auru“ na vrcholkoch najvyšších objektov v okolí. Vzniká v dôsledku veľmi vysokej koncentrácie elektrického poľa v ionizovanom vzduchu (preto je najčastejší práve na horách). Vzniká pred búrkou, keď elektricky nabité častice stúpajú nahor (búrkový mrak ich „vysáva“). Keď sa tento kanál častíc stretne s negatívne nabitými časticami v dolnej časti mraku, je veľká pravdepodobnosť, že udrie blesk. Preto je dôležité okamžite opustiť miesto, kde je vidieť tento Eliášov oheň, alebo kde cítiť na rukách a vlasoch tzv. zježenie chĺpkov, čo značí tok týchto častíc smerom nahor.

Eliášov oheň.

 

TLE (Transient luminous event)

TLE je v preklade prechodový svetelný jav. Po prvý raz zdokumentovala TLE jav výskumná skupina z Minesotskej Univerzity 6. júla, 1989, ktorá ho zachytila náhodou, keď natáčala štart rakety a kamera pokryla aj časť oblohy, kde práve prebiehala búrka. Vtedy ešte neboli jednotlivé typy TLE identifikované a popísané.

TLE ale bolo predpovedané a videné ľuďmi dávno pred vznikom tohto záznamu. V 20-tych rokoch dvadsiateho storočia škótsky fyzik a meteorológ Charles Thomson Rees Wilson predpovedal hromadenie a vybíjanie elektrického náboja vysoko nad troposférou, oblasťou kde sú pozorované bežné blesky do výšky 10km. Javy ako TLE boli v minulosti neraz spojované aj s existenciou mimozemšťanov a nadprirodzenými javmi. Postupom času pri letoch do vesmíru, alebo obyčajných civilných letoch boli tieto úkazy pozorované čoraz častejšie a trefne pomenované ako „Sprites“, čo znamená škriatkovia. A pribúdali ďalšie.

Prvý popis jedného z TLE javu vznikol už v 18. storočí okolo roku 1730. Nemecký historik Johann Georg Estor, v knihe o krásach nemeckého kraja Hessen-Darmstadt popísal svoj zážitok. Pri výstupe na pohorie Vogelsberg si všimol zvláštny svetelný úkaz vystupujúci z bieleho mračna nahor. Videl škriatka.

Škriatkovia nie sú jediným zástupcom TLE fenoménu. Ľudia pozorovali ďalšie zvláštne úkazy podobné výtryskom spalín z raketového motora. Majú modrú farbu a názov „Jets“, sršania. Vidieť ich vo výškach nad 40km, kde je úroveň elektrickej aktivity najintenzívnejšia. Najväčší z výtryskov bol pozorovaný 14. Septembra 2001 nad Arecibo Observatory (observatórium skúma vesmír v rádiovom spektre a našu ionosféru). Stúpal smerom nahor rýchlosťou cez 50km za sekundu a bol veľký cez 70km. Lokalizovaný bol nad búrkou, ktorá prechádzala nad oceánom.

Najvyššie pozorovaným úkazom je TLE jav pomenovaný Elves (Emission of Light and Very Low Frequency), čo znamená emisia svetla na veľmi nízkych frekvenciách. Samotná skratka Elves (Elf)je veľmi príznačná. Rovnako ako bájny a tajomný Elfovia v Tolkien- ovom diele Pán Prsteňov vytvára akúsi elipsovitú „svätožiaru“. Tento jav môže mať v priemere aj stovky kilometrov a jeho svetelný prejav je dosť podobný polárnej žiare. Rovnako ako Elfovia ostávali vždy nepozorovaný, aj tento úkaz sa nedá vidieť voľným okom ale len sofistikovanou a kvalitnou kamerou. Predpokladá sa, že sa podieľa na tvorbe ozónovej vrstvy.

Úloha bleskov pri vývoji života na ranej Zemi

Moderná biochémia a biológia si od svojich počiatkov kládli otázku, ako vznikol život na Zemi. S hypotézou o vzniku života z neživej „látky“ prišili biochemici Stanley Miller a Harold Urey začiatkom 50. rokov minulého storočia.

Z neživej anorganickej zmesi (vody, metánu, amoniaku, a vodíka) pri experimente vznikli aminokyseliny. Tieto aminokyseliny vznikali z anorganických zlúčenín ako voda, metán, amoniak a vodík, čo boli na rannej Zemi pred viac než 3,8 miliardami rokov najrozšírenejšie látky. Miller vytvoril uzatvorený systém zo sterilných sklenených nádob, bánk a trubičiek, kde anorganické zlúčeniny zmiešal bez prísunu kyslíka, pretože na ranej Zemi kyslík ešte neexistoval. Zmes zahrial aby sa vyparovala a cez výpary nechal prechádzať elektrické iskry aby simuloval blesky na prvotnej Zemi.

Ako v tomto interview jednoducho skonštatoval Stanley Miller "Len zapnutím iskier v tomto jednoduchom experimente získate 11 z 20 aminokyselín (z ktorých vznikajú proteíny potrebné pre fungovanie ľudského tela)".

Úloha bleskov na prvotnej Zemi sa vo svetle výsledkov Miller-Urey experimentu zdá kľúčovou.

A na záver, video, ktoré vyvolalo pred časom na internete veľa diskusií.

Ide samozrejme o trikový film, predstierajúci, že je skutočným záznamom z bezpečnostnej kamery.