Během pandemie bylo menší množství blesků, zapříčinila to čistší atmosféra
Někdy jsou vedlejší efekty opravdu zajímavé a nečekané. Útlum průmyslu a dopravy během pandemie COVID-19 vedl ke snížení imisní zátěže. Vědci z MIT (Massachusetts Institute of Technology), přišli s velmi zajímavým vedlejším efektem čistší atmosféry, kdy podle analýzy z globálních dat aerosolového znečištění a četnosti blesků došlo ve zkoumaném období březen-květen 2020 ke snížení počtu blesků o 8 % vůči stejnému období v předchozích letech (EOS.org). Nejvíc blesků podle zjištění vědců ubylo v Asii, Evropě a v Africe, v menší míře pak v Americe. Jistě vás napadne otázka, jak spolu může souviset čistší atmosféra a množství blesků? Odpověď vám přineseme v dnešním článku.
Obr. 1: Blesky nad Beskydami, zdroj: David Gorný
Atmosférické aerosoly (např. atmosférický prach, pylová zrna, vulkanický popel nebo také vodní kapičky a ledové krystalky) dovolují vznik vodních kapiček nebo ledových krystalků v atmosféře. Slouží jako kondenzační jádra v případě vodních kapiček nebo nukleační jádra v případě ledových krystalků. Především pak ledové krystalky jsou vhodné k transportu elektrického náboje v bouřkových oblacích. Tedy můžeme říct, že čím více je aerosolů v ovzduší, tím více je ledových krystalků, které jsou menší a lehčí, čímž mohou efektivněji přenášet elektrický náboj. V bouřkovém oblaku pak dochází k separaci elektrického náboje, kdy kladně nabité částice putují do horní části oblaku a záporně nabité částice se shromažďují ve spodní části oblaku (Obr. 2).
Jak přesně dochází k separaci elektrického náboje v bouřkovém oblaku? Mechanizmus, který by vysvětloval silnější elektrické projevy cumulonimbů, prozatím není přesně znám. Pravděpodobně zde půjde o spolupůsobení vícero faktorů. Obecně můžeme říct, že elektrické projevy (blesky) v cumulonimbech jsou spojeny s intenzivními srážkotvornými procesy, pro které je nezbytný smíšený charakter oblaku (obsah vodních kapiček, ledových krystalků a přechlazených vodních kapiček). Je třeba se tak zaměřit na teorie vysvětlující separaci náboje v oblaku, které uvažují jejich smíšený obsah.
Obr. 2 Schematické znázornění elektrického nábore v bouřkovém oblaku. Kromě horní kladné části se může menší centrum kladného náboje vyskytovat také u základny oblaku. Souvisí pravděpodobně s vypadáváním kapalných srážek. V centrální a spodní části oblaku je pak náboj záporný, zdroj: britannica.com
První teorie se zakládá na termoelektrických vlastnostech ledu, kdy uvažujme např. ledový krystalek, ve kterém je část molekul H2O disociována na anionty OH- a kationty H+. Vodíkové kationty jsou ve srovnání s hydroxylovým aniontem mnohem pohyblivější. Nyní si představme nějakou ledovou tyčinku, kdy jeden její konec zahřejeme a druhý ochladíme. Kationty H+ vlivem tzv. termické difuze přeskáčou na chladnější konec tyčinky, který se tím pádem nabije kladně. Teplejší konec tak bude obsahovat větší množství aniontů OH- a nabije se tady záporně. Nyní se vraťme do bouřkového oblaku. V bouřkovém oblaku větší ledové krystalky budou zachycovat větší množství přechlazené vody, která na jejich povrchu začne mrznout, čímž se uvolní latentní teplo, a tedy větší ledové částice budou relativně teplejší. Oproti tomu menší ledové krystalky budou kapičky přechlazené vody spíše obtékat a nedojde zde k uvolnění latentního tepla, takže menší částice budou relativně chladnější. Při vzájemných nárazech velkých a malých krystalků v cumulonimbu pak vodíkové kationty z většího krystalku přeskáčou na ten menší, a to znamená, že menší částice ponesou kladný náboj a větší pak náboj záporný. Velké ledové krystalky jsou těžké a propadávají do spodní části oblaku, kde tvoří záporné centrum, zatímco menší lehčí ledové krystalky jsou stoupavým proudem vynášeny do horní části oblaku, kde tvoří kladné centrum.
Uveďme ještě druhou z teorií, která je založena na elektrických dějích při intenzivním obalování ledových krystalků přechlazenou vodou (tzv. koagulaci) při teplotách pod bodem mrazu. Zde se také předpokládá, že větší ledové krystalky zachycují přechlazenou vodu. Přechlazená voda při intenzivním zachytávání však nestačí mrznout a led se může na pár chvil obalit vrstvičkou přechlazené vody. Experimentálně je pak zjištěno, že pokud vrstvička přechlazené vody obsahuje různé chemické příměsi typické pro oblačnou vodu, tedy především rozpuštěné soli, dochází následně k zápornému nabití ledového krystalku a kladnému nabití vrstvičky přechlazené vody. V bouřkovém oblaku působí silná turbulence a lze předpokládat časté srážky ledových krystalků. Při srážce mohou z vrstvičky přechlazené vody odstřikovat malé kladně nabité vodní kapičky, které jsou pak unášeny do horní části oblaku. Větší ledové krystalky nesoucí záporný náboj pak propadávají do spodní části oblaku.
Obě výše zmíněné teorie mají společné schéma, tedy že větší elementy nesou záporný náboj a menší lehčí elementy nesou kladný náboj. Samotná separace elektrického náboje je pak způsobena gravitačním působením Země, kdy větší záporné krystaly propadávají do spodní části oblaku, a dále je způsobena vzestupnými proudy v bouřkovém oblaku, které transportují menší kladně nabité elementy do horní části oblaku. Pokud je však krystalků méně, což je spojeno s menším množstvím kondenzačních případně nukleačních jader, tak hůře dochází k separaci náboje v cumulonimbu. Můžeme tedy říct, že oblak se méně nabije a je tedy schopen produkovat menší množství blesků.
Větší vliv je v tropických velkých městech
Autoři Chowdhuri a kol. (2020) ve své studii analyzovali vliv látek znečišťující ovzduší na aktivitu blesků v měsících duben a květen roku 2020 v indickém městě Kalkata, což je velmi znečištěné tropické velkoměsto. V období lockdownu se množství znečišťujících látek ve městě snížilo o 40 % oproti období před pandemií. Na tento pokles reagovalo množství blesků, které se v posuzovaném období snížilo o 49,16 % vůči průměru za roky 2010 až 2019. Celkově tato studie poukazuje na fakt, že snížení povrchového znečištění atmosféry v prostředí, kde se vyskytují bouřky, silně souvisí se snížením aktivity blesků. Zajímavostí je, že s úbytkem blesků souvisel také úbytek tropického ozonu, protože ozon v troposféře se mimo jiné formuje při bouřkách, kdy blesk dokáže rozdělit molekulu kyslíku na dva kyslíkové radikály, které se pak mohou spojit s molekulou kyslíku a vytvořit tak molekulu s třemi atomy kyslíku, tedy ozon.
Počet blesků (červeně) a koncentrace aerosolů (černě) v oblasti Kolkata od roku 2010 do roku 2020 - obě veličiny spolu výrazně souvisejí. Výrazný pokles aresolů kvůli pandemii se tak projevil i výrazným poklesem počtu besků, zdroj: sciencedirect.com
Obr. 1: Blesky nad Beskydami, zdroj: David Gorný
Atmosférické aerosoly (např. atmosférický prach, pylová zrna, vulkanický popel nebo také vodní kapičky a ledové krystalky) dovolují vznik vodních kapiček nebo ledových krystalků v atmosféře. Slouží jako kondenzační jádra v případě vodních kapiček nebo nukleační jádra v případě ledových krystalků. Především pak ledové krystalky jsou vhodné k transportu elektrického náboje v bouřkových oblacích. Tedy můžeme říct, že čím více je aerosolů v ovzduší, tím více je ledových krystalků, které jsou menší a lehčí, čímž mohou efektivněji přenášet elektrický náboj. V bouřkovém oblaku pak dochází k separaci elektrického náboje, kdy kladně nabité částice putují do horní části oblaku a záporně nabité částice se shromažďují ve spodní části oblaku (Obr. 2).
Jak přesně dochází k separaci elektrického náboje v bouřkovém oblaku? Mechanizmus, který by vysvětloval silnější elektrické projevy cumulonimbů, prozatím není přesně znám. Pravděpodobně zde půjde o spolupůsobení vícero faktorů. Obecně můžeme říct, že elektrické projevy (blesky) v cumulonimbech jsou spojeny s intenzivními srážkotvornými procesy, pro které je nezbytný smíšený charakter oblaku (obsah vodních kapiček, ledových krystalků a přechlazených vodních kapiček). Je třeba se tak zaměřit na teorie vysvětlující separaci náboje v oblaku, které uvažují jejich smíšený obsah.
Obr. 2 Schematické znázornění elektrického nábore v bouřkovém oblaku. Kromě horní kladné části se může menší centrum kladného náboje vyskytovat také u základny oblaku. Souvisí pravděpodobně s vypadáváním kapalných srážek. V centrální a spodní části oblaku je pak náboj záporný, zdroj: britannica.com
První teorie se zakládá na termoelektrických vlastnostech ledu, kdy uvažujme např. ledový krystalek, ve kterém je část molekul H2O disociována na anionty OH- a kationty H+. Vodíkové kationty jsou ve srovnání s hydroxylovým aniontem mnohem pohyblivější. Nyní si představme nějakou ledovou tyčinku, kdy jeden její konec zahřejeme a druhý ochladíme. Kationty H+ vlivem tzv. termické difuze přeskáčou na chladnější konec tyčinky, který se tím pádem nabije kladně. Teplejší konec tak bude obsahovat větší množství aniontů OH- a nabije se tady záporně. Nyní se vraťme do bouřkového oblaku. V bouřkovém oblaku větší ledové krystalky budou zachycovat větší množství přechlazené vody, která na jejich povrchu začne mrznout, čímž se uvolní latentní teplo, a tedy větší ledové částice budou relativně teplejší. Oproti tomu menší ledové krystalky budou kapičky přechlazené vody spíše obtékat a nedojde zde k uvolnění latentního tepla, takže menší částice budou relativně chladnější. Při vzájemných nárazech velkých a malých krystalků v cumulonimbu pak vodíkové kationty z většího krystalku přeskáčou na ten menší, a to znamená, že menší částice ponesou kladný náboj a větší pak náboj záporný. Velké ledové krystalky jsou těžké a propadávají do spodní části oblaku, kde tvoří záporné centrum, zatímco menší lehčí ledové krystalky jsou stoupavým proudem vynášeny do horní části oblaku, kde tvoří kladné centrum.
Uveďme ještě druhou z teorií, která je založena na elektrických dějích při intenzivním obalování ledových krystalků přechlazenou vodou (tzv. koagulaci) při teplotách pod bodem mrazu. Zde se také předpokládá, že větší ledové krystalky zachycují přechlazenou vodu. Přechlazená voda při intenzivním zachytávání však nestačí mrznout a led se může na pár chvil obalit vrstvičkou přechlazené vody. Experimentálně je pak zjištěno, že pokud vrstvička přechlazené vody obsahuje různé chemické příměsi typické pro oblačnou vodu, tedy především rozpuštěné soli, dochází následně k zápornému nabití ledového krystalku a kladnému nabití vrstvičky přechlazené vody. V bouřkovém oblaku působí silná turbulence a lze předpokládat časté srážky ledových krystalků. Při srážce mohou z vrstvičky přechlazené vody odstřikovat malé kladně nabité vodní kapičky, které jsou pak unášeny do horní části oblaku. Větší ledové krystalky nesoucí záporný náboj pak propadávají do spodní části oblaku.
Obě výše zmíněné teorie mají společné schéma, tedy že větší elementy nesou záporný náboj a menší lehčí elementy nesou kladný náboj. Samotná separace elektrického náboje je pak způsobena gravitačním působením Země, kdy větší záporné krystaly propadávají do spodní části oblaku, a dále je způsobena vzestupnými proudy v bouřkovém oblaku, které transportují menší kladně nabité elementy do horní části oblaku. Pokud je však krystalků méně, což je spojeno s menším množstvím kondenzačních případně nukleačních jader, tak hůře dochází k separaci náboje v cumulonimbu. Můžeme tedy říct, že oblak se méně nabije a je tedy schopen produkovat menší množství blesků.
Větší vliv je v tropických velkých městech
Autoři Chowdhuri a kol. (2020) ve své studii analyzovali vliv látek znečišťující ovzduší na aktivitu blesků v měsících duben a květen roku 2020 v indickém městě Kalkata, což je velmi znečištěné tropické velkoměsto. V období lockdownu se množství znečišťujících látek ve městě snížilo o 40 % oproti období před pandemií. Na tento pokles reagovalo množství blesků, které se v posuzovaném období snížilo o 49,16 % vůči průměru za roky 2010 až 2019. Celkově tato studie poukazuje na fakt, že snížení povrchového znečištění atmosféry v prostředí, kde se vyskytují bouřky, silně souvisí se snížením aktivity blesků. Zajímavostí je, že s úbytkem blesků souvisel také úbytek tropického ozonu, protože ozon v troposféře se mimo jiné formuje při bouřkách, kdy blesk dokáže rozdělit molekulu kyslíku na dva kyslíkové radikály, které se pak mohou spojit s molekulou kyslíku a vytvořit tak molekulu s třemi atomy kyslíku, tedy ozon.
Počet blesků (červeně) a koncentrace aerosolů (černě) v oblasti Kolkata od roku 2010 do roku 2020 - obě veličiny spolu výrazně souvisejí. Výrazný pokles aresolů kvůli pandemii se tak projevil i výrazným poklesem počtu besků, zdroj: sciencedirect.com
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.
