Výrazné bouřkové systémy doprovázejí také unikátní nadoblačné světelné jevy
Při bouřce většinou pozorujeme blesky, které se vyskytují mezi oblakem a zemí (CG blesky) nebo mezi oblaky navzájem (CC a IC blesky). Bouřky ovšem mohou produkovat také blesky nebo světelné události, které směřují směrem vzhůru, tedy se vyskytují ve stratosféře, mezosféře a také ve spodních vrstvách termosféry. Tyto jevy označujeme zkratkou TLE (z angl. Transient Luminous Event) a do češtiny to lze přeložit jako přechodné světelné události nebo se také užívá označení nadoblačné světelné jevy. V rámci TLE můžeme rozlišit celou řadu druhů (Obr. 1). V tomto článku se budeme zabývat nejběžněji pozorovatelným druhem, a to Red sprites (rudí skřítkové). Tento typ TLE zachytil (pomocí speciálních vysoce citlivých kamer) minulý týden z Nýdku (okres Frýdek-Místek) Martin Popek - pozorovatel Ústavu fyziky atmosféry.
Obr. 1: Schematicky znázorněné jednotlivé typy TLE, zdroj: astro.cz
Red sprite (rudý skřítek) je nejběžněji pozorovatelný typ TLE. Vyskytuje se ve výškách mezi 60–90 km nad povrchem, v některých případech i níže. Svým tvarem Red sprite připomíná mrkev, sloupek, nebo pokud se vyskytuje společně s vlásečnicemi, může mít vzhled medúzy. V některých případech nemusí mít zřetelně definovanou strukturu a objevuje se pouze v podobě světlejších mlžných útvarů. Jejich trvání je velice krátké, uvádí se setina až padesátina sekundy.
Obr. 2: Red sprite zachycené 8. 7. 2021 z Nýdku, zdroj: Martin Popek
Spolu se skřítky se obvykle vyskytují také Tendrils (vlásečnice). Jedná se jemná vlákna, která ze skřítků směřují dolů (Obr. 3). Mají tedy analogicky podobnou dobu trvání jako skřítci. Uvedli jsme, že vybíhají směrem dolů, čili někdy je můžeme registrovat ve výškách i pod 30 km nad zemským povrchem. Se skřítky dále souvisí Sprites halo (Obr. 3). Jedná se o světelné disky, které se vyskytují ve výškách okolo 85 km nad povrchem. Jejich doba trvání se pohybuje mezi 1/300 až 1/100 sekundy. Tyto jevy někdy bývají následovány skřítky, kteří pravděpodobně vznikají z disku hala. Někdy se tedy uvádí, že jde o počáteční fázi skřítků, ale ve všech případech není pozorovatelná.
Obr. 3: Red sprite typu jellyfish (připomínají tvar medúzy) se zřetelnými vlásečnicemi vybíhajícími směrem dolů. Patrné je také Sprite halo v podobě načervenalé mlhoviny okolo skřítků, zdroj: Martin Popek
Mechanizmy vzniku TLE a tedy i Red sprites jsou stále předmětem intenzivních výzkumů. Lze předpokládat, že se na jejich vzniku budou podílet interakce mezi elektrosférou a rychlými elektrony, které vznikají díky bleskům v troposféře. Tyto rychlé elektrony směřují vzhůru. Podstatné je zmínit, že TLE bývají pozorovány v souvislosti s kladnými CG blesky. To jsou blesky, které se vyskytují mezi centrem kladného náboje v bouřkovém oblaku a zemským povrchem a jsou zpravidla silnější (vyšší teplota, elektrický proud a napětí) než záporné CG blesky. Kladný náboj se ve většině případů koncentruje ve vrchních částech (v kovadlině) cumulonimbu. Tyto kladně nabité blesky ovšem tvoří zhruba 5–10 % všech CG blesků. Jejich výskyt je tedy minoritní, ale nutno dodat, že se nejedná o nic výjimečného.
Pokud se vyskytne kladný CG blesk, dochází k lavinovým emisím již avizovaných rychlých elektronů, které se šíří směrem vzhůru. Rychlé elektrony následně interagují s kladně nabitou elektrosférou. Právě v souvislosti s blesky, které jsou prekurzory vzniku TLE, můžeme zaznamenat dvojici pulzů elektromagnetického záření. První pulz, který je zpravidla silnější, pochází ze zdrojového blesku a druhý slabší pulz souvisí s proudovým rázem při již zmiňovaných interakcích toku rychlých elektronů a kladnou elektrosférou. Skřítky mohou spíše výjimečně vyvolat také silné záporné CG blesky.
Vysokorychlostní pozorování ukázala, že Red sprites s vlásečnicemi se mohou vytvořit několik ms po spouštěcím (zdrojovém) blesku buď spontánně, nebo z jasnějších částí vespod Sprite hala. Oba způsoby vzniku následuje vývoj světelných paprsků šířících se dolů a nahoru od iniciačního bodu. Iniciační bod na Obr. 4 je zobrazen bílou šipkou. Od tohoto bodu se světelný paprsek šíří směrem dolů a následuje jeho větvení a zesílení svítivosti. Současně se rozšiřuje také část Red sprite nad iniciačním bodem, která vytváří jasnější sloup. Tato část je větší a výrazně jasnější než spodní paprsky. Postupně se vzhůru šířící paprsky rozptylují.
Obr. 4: Vysokorychlostní obrázky ilustrující vývoj a strukturu Red sprite. Iniciační bod je označen bílou šipkou. Čas je počítán od okamžiku úderu zdrojového blesku, zdroj: Cummer a kol., 2006
Další příklad zobrazený na Obr. 5 ilustruje vznik Red sprite z jasných skvrn na spodním okraji původně homogenního hala. Sestupně se šířící paprsky se větví stejným způsobem jako v předchozím případě. Ale paprsky šířící se vzhůru od iniciačního bodu na Obr. 5 jsou širší a obecně mají jiný vzhled, než na Obr. 4. Vzhůru se šířící paprsky se opět jako v předchozím případě postupně rozptylují.
Obr. 5: Vysokorychlostní obrázky vývoje Red sprite ze Sprite hala, zdroj: Cummer a kol., 2006
Obrázek 6 ukazuje typickou strukturu vyvinutého Red sprite s vlásečnicemi, který se skládá z horní difuzní oblasti v červené barvě a dolní vlásečnicové oblasti v modré barvě. Typická červená barva se postupně mění na modrou pod přibližně 50 km nad povrchem. V současné době panuje předpoklad, že převaha červené a modré barvy v optické emisi Red sprite je způsobena excitací molekul dusíku v důsledku nárazu rychlých elektronů.
Obr. 6: Prostorová struktura Red sprite a přechod mezi difuzními a vlásečnicovými oblastmi, zdroj: Stenbaek, Nielsen a kol., 2000
Vhodné podmínky pro sledování všech typů TLE poskytuje především rozsáhlejší bouřkový systém (např. mezosynoptický konvektivní systém), který produkuje větší množství pozitivních CG blesků. Doporučená vzdálenost od bouře se uvádí 200 – 400 km a také je důležitá obloha bez oblačnosti. Například v Česku můžeme pozorovat TLE, které produkuje bouřkový systém v Chorvatsku. K pozorování se doporučují speciální vysoce citlivé kamery, neboť okem, vzhledem k velice krátkému trvání, lze spatřit TLE jen sporadicky.
Video zachycuje Red sprites z 29. 6. 2021 zachycené Martinem Popkem z Nýdku, které produkoval bouřkový systém nad Čechami. Jednalo se o rekordně aktivní bouřku, co se týče počtu Red sprites.
Na závěr ještě dodejme, že tyto jevy můžete pozorovat kdekoliv na světě. Třeba takto je před pár dny zachytili na severu Itálii z hory Campo dei Fiori di Varese.
Obr. 1: Schematicky znázorněné jednotlivé typy TLE, zdroj: astro.cz
Red sprite (rudý skřítek) je nejběžněji pozorovatelný typ TLE. Vyskytuje se ve výškách mezi 60–90 km nad povrchem, v některých případech i níže. Svým tvarem Red sprite připomíná mrkev, sloupek, nebo pokud se vyskytuje společně s vlásečnicemi, může mít vzhled medúzy. V některých případech nemusí mít zřetelně definovanou strukturu a objevuje se pouze v podobě světlejších mlžných útvarů. Jejich trvání je velice krátké, uvádí se setina až padesátina sekundy.
Obr. 2: Red sprite zachycené 8. 7. 2021 z Nýdku, zdroj: Martin Popek
Spolu se skřítky se obvykle vyskytují také Tendrils (vlásečnice). Jedná se jemná vlákna, která ze skřítků směřují dolů (Obr. 3). Mají tedy analogicky podobnou dobu trvání jako skřítci. Uvedli jsme, že vybíhají směrem dolů, čili někdy je můžeme registrovat ve výškách i pod 30 km nad zemským povrchem. Se skřítky dále souvisí Sprites halo (Obr. 3). Jedná se o světelné disky, které se vyskytují ve výškách okolo 85 km nad povrchem. Jejich doba trvání se pohybuje mezi 1/300 až 1/100 sekundy. Tyto jevy někdy bývají následovány skřítky, kteří pravděpodobně vznikají z disku hala. Někdy se tedy uvádí, že jde o počáteční fázi skřítků, ale ve všech případech není pozorovatelná.
Obr. 3: Red sprite typu jellyfish (připomínají tvar medúzy) se zřetelnými vlásečnicemi vybíhajícími směrem dolů. Patrné je také Sprite halo v podobě načervenalé mlhoviny okolo skřítků, zdroj: Martin Popek
Mechanizmy vzniku TLE a tedy i Red sprites jsou stále předmětem intenzivních výzkumů. Lze předpokládat, že se na jejich vzniku budou podílet interakce mezi elektrosférou a rychlými elektrony, které vznikají díky bleskům v troposféře. Tyto rychlé elektrony směřují vzhůru. Podstatné je zmínit, že TLE bývají pozorovány v souvislosti s kladnými CG blesky. To jsou blesky, které se vyskytují mezi centrem kladného náboje v bouřkovém oblaku a zemským povrchem a jsou zpravidla silnější (vyšší teplota, elektrický proud a napětí) než záporné CG blesky. Kladný náboj se ve většině případů koncentruje ve vrchních částech (v kovadlině) cumulonimbu. Tyto kladně nabité blesky ovšem tvoří zhruba 5–10 % všech CG blesků. Jejich výskyt je tedy minoritní, ale nutno dodat, že se nejedná o nic výjimečného.
Pokud se vyskytne kladný CG blesk, dochází k lavinovým emisím již avizovaných rychlých elektronů, které se šíří směrem vzhůru. Rychlé elektrony následně interagují s kladně nabitou elektrosférou. Právě v souvislosti s blesky, které jsou prekurzory vzniku TLE, můžeme zaznamenat dvojici pulzů elektromagnetického záření. První pulz, který je zpravidla silnější, pochází ze zdrojového blesku a druhý slabší pulz souvisí s proudovým rázem při již zmiňovaných interakcích toku rychlých elektronů a kladnou elektrosférou. Skřítky mohou spíše výjimečně vyvolat také silné záporné CG blesky.
Vysokorychlostní pozorování ukázala, že Red sprites s vlásečnicemi se mohou vytvořit několik ms po spouštěcím (zdrojovém) blesku buď spontánně, nebo z jasnějších částí vespod Sprite hala. Oba způsoby vzniku následuje vývoj světelných paprsků šířících se dolů a nahoru od iniciačního bodu. Iniciační bod na Obr. 4 je zobrazen bílou šipkou. Od tohoto bodu se světelný paprsek šíří směrem dolů a následuje jeho větvení a zesílení svítivosti. Současně se rozšiřuje také část Red sprite nad iniciačním bodem, která vytváří jasnější sloup. Tato část je větší a výrazně jasnější než spodní paprsky. Postupně se vzhůru šířící paprsky rozptylují.
Obr. 4: Vysokorychlostní obrázky ilustrující vývoj a strukturu Red sprite. Iniciační bod je označen bílou šipkou. Čas je počítán od okamžiku úderu zdrojového blesku, zdroj: Cummer a kol., 2006
Další příklad zobrazený na Obr. 5 ilustruje vznik Red sprite z jasných skvrn na spodním okraji původně homogenního hala. Sestupně se šířící paprsky se větví stejným způsobem jako v předchozím případě. Ale paprsky šířící se vzhůru od iniciačního bodu na Obr. 5 jsou širší a obecně mají jiný vzhled, než na Obr. 4. Vzhůru se šířící paprsky se opět jako v předchozím případě postupně rozptylují.
Obr. 5: Vysokorychlostní obrázky vývoje Red sprite ze Sprite hala, zdroj: Cummer a kol., 2006
Obrázek 6 ukazuje typickou strukturu vyvinutého Red sprite s vlásečnicemi, který se skládá z horní difuzní oblasti v červené barvě a dolní vlásečnicové oblasti v modré barvě. Typická červená barva se postupně mění na modrou pod přibližně 50 km nad povrchem. V současné době panuje předpoklad, že převaha červené a modré barvy v optické emisi Red sprite je způsobena excitací molekul dusíku v důsledku nárazu rychlých elektronů.
Obr. 6: Prostorová struktura Red sprite a přechod mezi difuzními a vlásečnicovými oblastmi, zdroj: Stenbaek, Nielsen a kol., 2000
Vhodné podmínky pro sledování všech typů TLE poskytuje především rozsáhlejší bouřkový systém (např. mezosynoptický konvektivní systém), který produkuje větší množství pozitivních CG blesků. Doporučená vzdálenost od bouře se uvádí 200 – 400 km a také je důležitá obloha bez oblačnosti. Například v Česku můžeme pozorovat TLE, které produkuje bouřkový systém v Chorvatsku. K pozorování se doporučují speciální vysoce citlivé kamery, neboť okem, vzhledem k velice krátkému trvání, lze spatřit TLE jen sporadicky.
Video zachycuje Red sprites z 29. 6. 2021 zachycené Martinem Popkem z Nýdku, které produkoval bouřkový systém nad Čechami. Jednalo se o rekordně aktivní bouřku, co se týče počtu Red sprites.
Na závěr ještě dodejme, že tyto jevy můžete pozorovat kdekoliv na světě. Třeba takto je před pár dny zachytili na severu Itálii z hory Campo dei Fiori di Varese.
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.
