Pohyb blesku zahrnuje několik složitých fází
Letní polovina roku je obdobím častého výskytu bouřek, jevu, který dokáže zaujmout svými projevy nejen meteorology, ale i širokou veřejnost. Nejpůsobivějším projevem bouřek (a zřejmě i počasí vůbec) jsou blesky. Jak známo z hodin fyziky, blesk je elektrický výboj, který vzniká mezi centry kladných a záporných nábojů. Tolik jednoduchá definice, realita ale dokáže být velmi rozmanitá. Především je nutné podotknout, že bleskové výboje vznikají buď mezi oblakem a zemí (v angličtině Cloud-to-Ground, tedy tzv. CG blesky) nebo mezi jednotlivými centry oblačného náboje ať už v rámci téhož nebo různých oblaků (anglicky Cloud-to-Cloud, tedy CC blesky, obr. 1). V některých případech může bleskový výboj končit ve vzduchu (Cloud-to-Air). Podle polarity neseného náboje pak ještě můžeme rozlišit blesky pozitivní (nesoucí kladný náboj) a negativní (se záporným nábojem).
Obr. 1: Typy blesků a přibližné početní zastoupení blesků, které udeří do země, zdroj: NOAA
Obr. 2: Nejpůsobivějším projevem bouřek jsou blesky
Blesk se sice jeví pro běžné lidské oko jako spojitý jev trvající většinou zlomek sekundy, ve skutečnosti ovšem nejde o nic tak jednoduchého. Pečlivým studiem změn magnetického a elektrického pole v okolí blesků a dnes i záběrů vysokofrekvenčních kamer bylo zjištěno, že se blesk skládá z celé řady fází, které se liší jak svým trváním, tak i rychlostí postupu nebo třeba velikostí neseného proudu. Podívejme se teď na jednotlivé fáze blesku, a to CG blesku, který nese záporný náboj (tyto tvoří až 90 % všech CG blesků).
Nejprve vzniká prvotní elektrický průraz trvající několik milisekund. Podstatně nápadnější je pro lidské oko ale až následný krokový vůdčí výboj. Je tvořen negativně nabitým kanálem plazmy a směrem k zemi se pohybuje po krocích – vždy se po zhruba 50 metrech na 20-50 mikrosekund zastaví, pak zase pokračuje (obr. 3). Celková doba trvání této fáze je cca 10 milisekund.
Obr. 3: Krokový vůdčí výboj, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Když se krokový výboj přiblíží k zemi (v té chvíli napětí na jeho čele dosahuje běžně kolem deseti miliónů voltů!), dojde k propojení vodivého kanálu mezi oblačným nábojem a zemí a následně v něm vzniká zpětný výboj (obr. 4). Ten nese směrem vzhůru kladný náboj od země, čímž neutralizuje záporný náboj podél kanálu nebo větve blesku. Zpětný výboj je nejviditelnější složkou CG blesku. Protékat jím může proud o velikosti až 30 kA (kiloampér), čímž se kanál zahřívá až na 30 000 °C. Toto prudké ohřátí vede k rychlému nárůstu tlaku vzduchu (až na 10 atmosfér), a to se následně projeví vznikem tlakové vlny, kterou vnímáme jako hrom.
Obr. 4: Zpětný výboj – nejviditelnější část CG blesku, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Zpětným výbojem může blesk skončit, ale častěji pokračuje dále – po poměrně složitých procesech nastává šípový výboj (obr. 5), který se rychle pohybuje od oblaku k zemi (řádově kolem 10 000 km/s), zpravidla se už tolik nevětví a teče jím taky podstatně menší proud (kolem 1 kA). Po jeho doteku se zemí vzniká další zpětný výboj směřující od země k oblaku.
Obr. 5: Šípový výboj (dart leader) a následný zpětný výboj, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Ani to ještě nemusí být konec blesku, zhruba v polovině případů totiž ještě po tomto následném zpětném výboji teče kanálem blesku průběžný proud (obr. 6) a to po dobu až stovek milisekund. Lze ho považovat za jakýsi stabilní obloukový výboj mezi nabitou oblastí mraku a zemí. I když množství proudu, které teče kanálem blesku v této fázi, je poměrně malé (desítky ampér), dokáže zahřát předměty na zemském povrchu na teplotu, při které dochází k jejich zapálení – tím je tedy tato finální fáze blesku nebezpečná. Tyto poslední fáze blesku vnímáme jako jeho blikání.
Obr. 6: Průběžný proud může vést k zapálení objektů u země, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Jednotlivé fáze jsou dobře patrné na záběrech vysokorychlostních kamer (obr. 7). Z nich si může i laik udělat jasnou představu o složitosti procesu bleskového výboje, který trvá od milisekund po 2 sekundy celkem.
Obr. 7: Video blesku snímaného vysokofrekvenční kamerou (zpomaleno), zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Výše uvedený popis se týká záporného CG blesku. Pokud jde o méně časté kladné blesky CG (vyskytující se asi v 10 % všech CG blesků), ty mívají zpravidla jen jeden úder a po zpětném výboji následuje průběžný proud, kterým teče o řád silnější proud než u obdobné fáze záporného CG blesku. Výrazně se pak kladný CG blesk od záporného liší i velikostí přeneseného náboje (až 1000 coulombů u CG+ blesku vs. několik coulombů u CG-). Z tohoto hlediska jsou tedy kladné CG blesky silnější než záporné a mnohem častěji způsobují požáry.
Obr. 1: Typy blesků a přibližné početní zastoupení blesků, které udeří do země, zdroj: NOAA
Obr. 2: Nejpůsobivějším projevem bouřek jsou blesky
Blesk se sice jeví pro běžné lidské oko jako spojitý jev trvající většinou zlomek sekundy, ve skutečnosti ovšem nejde o nic tak jednoduchého. Pečlivým studiem změn magnetického a elektrického pole v okolí blesků a dnes i záběrů vysokofrekvenčních kamer bylo zjištěno, že se blesk skládá z celé řady fází, které se liší jak svým trváním, tak i rychlostí postupu nebo třeba velikostí neseného proudu. Podívejme se teď na jednotlivé fáze blesku, a to CG blesku, který nese záporný náboj (tyto tvoří až 90 % všech CG blesků).
Nejprve vzniká prvotní elektrický průraz trvající několik milisekund. Podstatně nápadnější je pro lidské oko ale až následný krokový vůdčí výboj. Je tvořen negativně nabitým kanálem plazmy a směrem k zemi se pohybuje po krocích – vždy se po zhruba 50 metrech na 20-50 mikrosekund zastaví, pak zase pokračuje (obr. 3). Celková doba trvání této fáze je cca 10 milisekund.
Obr. 3: Krokový vůdčí výboj, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Když se krokový výboj přiblíží k zemi (v té chvíli napětí na jeho čele dosahuje běžně kolem deseti miliónů voltů!), dojde k propojení vodivého kanálu mezi oblačným nábojem a zemí a následně v něm vzniká zpětný výboj (obr. 4). Ten nese směrem vzhůru kladný náboj od země, čímž neutralizuje záporný náboj podél kanálu nebo větve blesku. Zpětný výboj je nejviditelnější složkou CG blesku. Protékat jím může proud o velikosti až 30 kA (kiloampér), čímž se kanál zahřívá až na 30 000 °C. Toto prudké ohřátí vede k rychlému nárůstu tlaku vzduchu (až na 10 atmosfér), a to se následně projeví vznikem tlakové vlny, kterou vnímáme jako hrom.
Obr. 4: Zpětný výboj – nejviditelnější část CG blesku, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Zpětným výbojem může blesk skončit, ale častěji pokračuje dále – po poměrně složitých procesech nastává šípový výboj (obr. 5), který se rychle pohybuje od oblaku k zemi (řádově kolem 10 000 km/s), zpravidla se už tolik nevětví a teče jím taky podstatně menší proud (kolem 1 kA). Po jeho doteku se zemí vzniká další zpětný výboj směřující od země k oblaku.
Obr. 5: Šípový výboj (dart leader) a následný zpětný výboj, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Ani to ještě nemusí být konec blesku, zhruba v polovině případů totiž ještě po tomto následném zpětném výboji teče kanálem blesku průběžný proud (obr. 6) a to po dobu až stovek milisekund. Lze ho považovat za jakýsi stabilní obloukový výboj mezi nabitou oblastí mraku a zemí. I když množství proudu, které teče kanálem blesku v této fázi, je poměrně malé (desítky ampér), dokáže zahřát předměty na zemském povrchu na teplotu, při které dochází k jejich zapálení – tím je tedy tato finální fáze blesku nebezpečná. Tyto poslední fáze blesku vnímáme jako jeho blikání.
Obr. 6: Průběžný proud může vést k zapálení objektů u země, zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Jednotlivé fáze jsou dobře patrné na záběrech vysokorychlostních kamer (obr. 7). Z nich si může i laik udělat jasnou představu o složitosti procesu bleskového výboje, který trvá od milisekund po 2 sekundy celkem.
Obr. 7: Video blesku snímaného vysokofrekvenční kamerou (zpomaleno), zdroj: Lightningsafety.noaa.gov
Výše uvedený popis se týká záporného CG blesku. Pokud jde o méně časté kladné blesky CG (vyskytující se asi v 10 % všech CG blesků), ty mívají zpravidla jen jeden úder a po zpětném výboji následuje průběžný proud, kterým teče o řád silnější proud než u obdobné fáze záporného CG blesku. Výrazně se pak kladný CG blesk od záporného liší i velikostí přeneseného náboje (až 1000 coulombů u CG+ blesku vs. několik coulombů u CG-). Z tohoto hlediska jsou tedy kladné CG blesky silnější než záporné a mnohem častěji způsobují požáry.
Encyklopedie počasí
Přečtěte si další články z naší rozsáhlé encyklopedie počasí, která shrnuje poznatky o meteorologii a počasí. Pochopíte řadu základních meteorologických prvků a způsob vytváření předpovědí počasí.
