AMATEUR STORMCHASING SOCIETY

Výboje typu CG a jejich interakce s povrchem Země

Úvodem k projektu

Jedním z projektů Amateur Stormchasing Society se od roku 2011 stává i projekt sledování blesků typu CG (mrak - země) a jejich působení (interakce) na zemský povrch.

Jak jste jistě již dříve zaregistrovali, od roku 2008 probíhala na webu A.S.S. pozorovací kampaň zaměřená na jevy nazývané Transient Luminous Events (TLE), neboli krátkodobé záblesky nad silnými bouřemi. Do této kategorie spadají záblesky označované jako sprites, jets nebo elves. Bohužel záznam těchto událostí je velmi obtížný a vzácný, proto se příliš pozorování během uplynulých dvou let nesešlo.

Projekt na pozorování CG blesků se zrodil na počátku roku 2010 poté, co byl navržen Tomášem Prouzou jako jedna z možností nových projektů probíhajících pod hlavičkou A.S.S. Proto proběhlo o tomto tématu hlasování na fóru a společně se sledováním supercelárních bouří bylo toto téma vybráno jako další ze 3 projektů plánovaných pro rok 2010. Na bouřkovém semináři v Radostovicích v roce 2010 byla představena prezentace na toto téma, avšak z časových důvodů (a zčásti i slabší bouřkové sezóně minulého roku) sešlo z její praktické implementace na webu A.S.S. (týkalo se to všech tří projektů)

Již o rok dříve, v srpnu 2009 se právě Tomáši Prouzovi povedlo vyhledat místo, do kterého uhodil CG+ blesk a provést kompletní dokumentaci této události (ztotožnit ho s datovým výstupem detekce blesků). Tento případ byl motivací k pokračování průzkumu v této oblasti a snahou o zapojení dalších pozorovatelů právě ve formě tohoto projektu

V následujícím textu se Vám pokusíme přiblížit, co od kampaně očekáváme, jaké jsou její cíle, metodika a výstupy. Přidáme i teorii vzniku blesku a jeho možné typy.

Jak vzniká v bouřce blesk?

Základním procesem při vzniku blesku je silná separace kladných a záporných nábojů v mraku nebo vzduchu. Mechanismus procesu je stále objektem výzkumu, ale jednou z široce přijímaných teorií je polarizační mechanismus. Tento mechanismus má 2 složky: jednou z nich je ta, že padající kapky ledu a deště se elektricky polarizují během průchodu přírodním elektrickým polem atmosféry, a druhou, že srážející se ledové částice se nabíjejí elektrostatickou indukcí. Po nabití částic ledu nebo kapek jakýmkoli mechanismem, jsou protikladné náboje odděleny a energie je uložena v elektrických polích mezi nimi. Kladně nabité krystaly mají tendenci stoupat nahoru a vytváří kladný náboj vrcholu mraku a záporně nabité krystaly, případně kroupy padají do středních a spodních vrstev mraku, čímž vzniká oblast se záporným nábojem. V této fázi může vzniknout blesk mezi dvěma mraky, neboli výboj typu CC (cloud-cloud alias mrak-mrak). Blesk mezi mrakem a zemí je méně častý. Takové bouřkové mraky, které neprodukují dost ledových krystalů, obvykle nejsou s to vytvořit dost nábojové separace pro vznik blesku (čím je bouřka vertikálně mohutnější a čím větší část se nachází nad nulovou izotermou, tím větší šance pro vznik elektrického výboje).

Jak se bouřka pohybuje nad krajinou, vytváří na zemi pod sebou pomocí elektrostatické indukce náboj opačné polarity. Pod záporně nabitou základnou mraku vzniká kladný náboj, zatímco pod kovadlinou je tomu naopak. Pokud energetický potenciál mezi zemí a bouřkovým mrakem dosáhne hodnot, při kterých se vzduch stává vodivým, udeří blesk.

Výboj atmosférické elektřiny cestuje rychlostí cca 60 tisíc m.s^-1 (216 tisíc km.h^-1) s rozptylem až 500 MJ energie a nábojem 1 - 5 coulombů. Proud se pohybuje kolem 40 000 A, může ale dosáhnout hodnot násobně vyšších (až 300 000 A u blesku CG+). Napětí se odvíjí od délky blesku a dosahuje až miliardy voltů u CG+, a až sto milionů voltů u CG-. Teplota bezprostředně kolem bleskového kanálu dosahuje 10 000 °C - vyšší, než na povrchu Slunce - někdy se dokonce udává teplota okolního vzduchu až 30 000 °C. U náhle zahřátého vzduchu dojde k prudkému rozpínání, které je původcem ohlušujícího zvuku, který nazýváme hromem.

Blesk se může vyskytnout též v mracích z popelu při sopečných erupcích (s délkou výboje až 100m), písečných bouřích (délka výboje až 1m) nebo může být způsoben silnými lesními požáry, které vyprodukují dostatečné množství prachu pro tvorbu statického náboje. Dále může dojít ke vzniku blesku při zemětřesení (vycházející z elektrických polí vytvářených seizmickým napětím), při explozích termonukleárních zbraní - např. vodíková bomba (jaderné bleskové výboje o délce až 1 km).

Jaké známe druhy blesku?

Čárový - je dlouhý elektrický výboj (mezi mrakem a zemí nebo mezi dvěma mraky). Začíná vůdčím výbojem, který postupuje z mraku cestou nejmenšího odporu. V určité výšce nad zemí se tento výboj setkává se vstřícným výbojem, vznikajícím a postupujícím ze země. Vzniká kanál, kterým projde hlavní výboj. Blesk bývá barvy bílé, ale také modré, červené nebo podobné (dáno jasem plynu). Je skoro vždy doprovázen hřměním.

Plošný (blýskavice) - výboj vzniká mezi dvěma mraky a poznáte ho podle rozptýleného světelného záblesku. Náhle jakoby vzplanou celé plochy mraků nebo se ostře vyrýsují jejich obrysy. Na rozdíl od blesku čárového neuslyšíte zahřmění. Z fyzikálního hlediska je náboj mezi mraky nedostatečný k vytvoření blesku čárového, takže vznikne jen doutnavý výboj. Případně se jedná o velmi vzdálený blesk pohlcený oblačností.

Stuhový - elektrický výboj, u kterého jsou kanály jednotlivých složek výboje posunuty větrem.

Růžencový - vzniká jen ojediněle, kanál blesku se rozdělí na světelné úseky připomínající kuličky na šňůrce růžence. Každá kulička vybuchuje sama o sobě, takže zvukový efekt je značný.

Kulový - je vzácnou zvláštní forma elektrického atmosférického jevu. Jeho princip nebyl dosud uspokojivě vysvětlen. Tento blesk se podstatně liší od ostatních blesků; sice vzniká obvykle za bouřky, ale může se objevit i za jasného počasí.

Rozdělení blesků typu CG:

Negativní blesk CG-

Blesk obvykle vzniká, když je neviditelný negativně nabitý impuls z krokového kanálu vyslán z mraku. Když se tak stane, pozitivně nabitý krokový kanál je obvykle zároveň vyslán z pozitivně nabité země. Když se 2 kanály střetnou, elektrický proud v kanálu značně vzroste. Oblast vysokého proudu rozšiřuje zpětně pozitivní krokový kanál do mraku. Tento „zpětný impuls“ tvoří nejjasnější část výboje a je to část, která je dobře viditelná. Většina bleskových výbojů trvá obvykle asi čtvrtinu sekundy. Někdy několik výbojů prochází nahoru a dolů stejným kanálem, způsobuje tak efekt blikání. Hrom vzniká, když výboj rychle zahřeje vodící kanál a vznikne rázová vlna.
Tento typ blesku se nazývá negativní blesk pro vybití negativního náboje z mraku a zahrnuje přes 95 % všech blesků. Průměrný blesk nese proud 30 kA a má potenciální rozdíl asi 100 MV.

Pozitivní blesk CG+

Pozitivní blesk tvoří méně než 5 % všech blesků. Vyskytuje se, když se krokový kanál formuje při pozitivně nabitých vrcholech mraků a negativně nabitý krokový kanál je vyslán ze země. Následným efektem je vybití pozitivního náboje do země. Blesk CG+ trvá až třikrát déle a teplota uvnitř kanálu je až třikrát vyšší než u CG-. Nebezpečí blesku CG+ spočívá především v jeho nepředvídatelnosti. Kovadlina, ve které vzniká, se rozprostírá daleko do širého okolí, mnohem dál než samotná základna bouřkového mraku a díky tomu může CG+ udeřit až 20 km před bouřkou, kdy oběť ani netuší, že se blíží nějaké nebezpečí v podobě bouřky. Během pozitivního blesku vzniká velké množství rádiových vln o extrémně nízké frekvenc i. Pozitivní blesk je teď též považován za původce mnohých lesních požárů. Vyskytuje častěji v zimních bouřkách a na konci bouřky (souvisí se vzdáleností od jádra bouřky).

Co je cílem našeho pozorování?

Především se chceme zaměřit na sledování výbojů směřujících k zemskému povrchu, tj. blesků typu CG- a CG+ a dále pak především na:

1. Vyhodnocení přesnosti detekce blesků CELDN v podmínkách České republiky (srovnání lokalizace výboje blesku detekcí s reálným bodem na povrchu
Země, kde blesk udeřil)

2. Získání dat všech dostupných dat (snímků/videa) o místech kontaktu CG blesku se
zemským povrchem (a předložení tezí, proč blesk udeřil právě tam)

3. Vytvoření databáze zjištěných a ověřených případů na území České republiky

Jak hodláme v kampani postupovat?

Část pozorovatelská

1. Provedení pozorování v terénu a vyhledání bodu kontaktu výboje s povrchem
2. Získání co největšího možného množství dat o události
3. Zpracování zjištěných dat a informací a zaslání do A.S.S.

Část vyhodnocovací a prezentační

4. Vyhodnocení zaslaných dat a jejich zpracování
5. Prezentace zjištěných výsledků na webu A.S.S.

Co znamenají jednotlivé části a co obnášejí?

1. Provedení pozorování v terénu a vyhledání bodu kontaktu výboje s povrchem

Zde je nutné rozlišovat pozorovatele podle pozorovací lokality, protože podle ní se pravděpodobně bude odvíjet další činnost pozorovatele. Pozorovatelé ve městě se pravděpodobně zaměří na sledování úderů blesků do vysokých objektů (vysílače, výškové budovy). U nich budou schopni dobře určit čas zásahu i lokalitu, ale obtížně najdou po zásahu nějaké stopy. Pozorovatelé na venkově na tom budou spíše opačně, snadněji najdou stopy po zásahu (budovy, stromy, kopce a skály), ale při samotné bouřce podstatně hůře lokalizují samotné místo úderu blesku.

a) pozorování při bouřce

Pro pozorování je nejvhodnější blízká bouřka, přicházející za dne a spíše s menší četností výbojů. Čím bližší výboje, tím lepší šance na lokalizaci. Při pozorování však nikdy nezapomínejte na vlastní bezpečnost a rozhodně kvůli lepšímu výhledu neriskujte. Ideálním stanovištěm je pevná stavba s bleskosvodem a výhledem do sektoru, jímž prochází bouřkové jádro. Pro záznam údajů je vhodné mít předem připravený zápisník, přehlednou mapku blízkého okolí (kam si můžete hned zakreslit místo, kam blesk nejspíše uhodil) a hodinky. Hodinky využijete jak pro záznam času úderu blesku, tak pro výpočet jeho vzdálenosti od vás (vzdálenost je zpožděním hromu za bleskem ve vteřinách x 300 metrů). Je důležité si co nejpřesněji zapsat čas blízkých úderů blesku (i těch, co přímo neuvidíte, můžeme vám je zpětně vyhledat v databázi detekce blesků CELDN), směr a vzdálenost výboje (pokud ho přímo vidíte (případně rovnou zakreslit do mapky). Dále je vhodné zaznamenat si i další údaje o projevech samotné bouřky - elektrickou aktivitu, intenzitu srážek, směr a sílu větru, případně zajímavé oblačné útvary. Důležitá je též informace, kdy k úderu blesku došlo vůči samotnému průběhu bouřky (před příchodem, za bouřky nebo až po ní).

Výboj si obvykle hledá cestu nejmenšího odporu - tj. často udeří do nejvodivějších objektů, které v rozporu s tradičním míněním nemusí být nutně nejvyššími v krajině. Může tak udeřit do nižšího stromu s hlubšími kořeny (či rostoucím ve vlhké půdě) spíše než do vedle stojícího kovového sloupu s izolovanou patkou. Obvyklými cíli blesku se obecně stávají vysoké budovy, vysílače a jiné stožáry, osaměle rostoucí stromy, skaliska. Účinky blesku se pak různí podle charakteru zasaženého objektu i podle intenzity výboje. V případě budov je často poškozena střešní krytina, elektroinstalace a může dojít k požáru. Zasažené kovové konstrukce mohou být částečně roztavené, stromy mohou mít uražené větve, oloupanou kůřu, případně být zcela roztříštěné. Také se mohou stát zdrojem požáru. Při úderu blesku do půdy nebo skály může dojít k přetavení horniny do formy tzv. fulguritu.

Na následujících snímcích můžete vidět úder blesku do stromu, následky úderu blesku do anemometru meteostanice a do stromu a na závěr fulgurit - horninu vzniklou přeměnou půdy / jiné horniny při úderu blesku.

b) Lokalizace bodu úderu blesku v terénu

Předpokládejme, že bouřka již skončila (do jejího odeznění stále není bezpečné pohybovat se v terénu!) a můžete se vydat hledat místo, kam za bouřky blesk udeřil. Pro hledání nyní využijete svých zápisků nebo mapky, do které jste provedli zákres. Pokud jste při bouřce neviděli přesné místo úderu blesku, je možné nám zaslat žádost o přibližnou lokalizaci detekcí blesků (je nutné poskytnout přibližný čas a souřadnice). Hledejte co nejdříve po bouřce, některé stopy nejsou trvanlivé (strom sražený na cestu odstraní brzo hasiči). Neváhejte využít dotazů u místních obyvatel. A především se nenechte odradit neúspěchem - budu-li mluvit za sebe, v roce 2009 jsem podnikl 6 pátracích akcí s jediným úspěchem (a to právě díky informaci z třetí strany). Pokud budete mít štěstí a místo úderu blesku naleznete, podnikněte následující kroky:

2. Získání co největšího možného množství dat o události

Získejte co nejvíce dostupných dat o inkriminovaném místě - jaký objekt byl zasažen (strom, budova, rozvodná síť, skalisko nebo jiný objekt), v případě stromu o jaký druh se jednalo a jak byl vysoký. Jaká je v místě zásahu blesku konfigurace terénu - vrchol, údolí, převis. Jaké objekty a v jaké vzdálenosti se nacházejí v okolí místa - vodní tok/plocha, rozvodná síť, budovy. Pokud je to možné, nakreslete si místopisný plánek a zcela nejlepší možností je provedení foto/videodokumentace. Při pohybu v lokalitě postižené zásahem blesku však dbejte především na vlastní bezpečnost (nalomené větve stromů, porušená statika objektů).

3. Zpracování zjištěných dat a informací a zaslání do A.S.S.

Vše co zjistíte, změříte nebo zakreslíte (vyfotíte či natočíte) alespoň trochu zpracujte a zašlete na adresu ProuzaTom@seznam.cz

V první řadě nám o svém úlovku napište sem do diskuzního fóra. Po vložení vašeho příspěvku s Vámi probereme váš úlovek. Nechcete-li psát do diskuzního fóra, můžete napsat mail Tomáš Prouzovi, který je zodpovědným správcem tohoto projektu.

Důležité informace jsou:

Datum a čas výboje
Místo pozorování
Předpokládané nebo zjištěné souřadnice výboje
Veškeré informace obsažené v bodu č. 2. (data ze zasaženého místa)
Fotografie / videozáznam

4. Vyhodnocení zaslaných dat a jejich zpracování

Tým členů A.S.S. provede zpracování Vámi poskytnutých údajů, doplní je údaje z databáze CELDN, spočte souřadnice, rozdíl vzdáleností, přidá informace o polaritě a intenzitě výboje.

5. Prezentace zjištěných výsledků na webu A.S.S.

Z poskytnutých a zpracovaných dat bude sestaven článek (modelový případ je k vidění na http://www.bourky.com/pozorovani/bourka-a-blesk-17-8-2009/), který bude publikován na webu A.S.S.

V případě, že se sejde dostatečný počet pozorování, bude na konci bouřkové sezóny 2010 provedeno celkové zhodnocení detekce blesků, případně položeny teze o zákonitostech při úderech CG blesků.