Video: Pozoruhodné blesky

Bouřka je impozantní přírodní úkaz. Vzniká a rozvíjí se ve spojitosti se specifickým druhem oblaku, cumulonimbem. V jiných oblacích nevzniká. Cumulonimbus je oblak kumuliformního typu s velkým vertikálním rozsahem. V našich zeměpisných šířkách mívá základnu kolem 1 až 2 kilometrů nad zemí, vrcholy v letním období kolem 12 až 15 kilometrů, což je dáno výškou tropopauzy a možností průniku konvektivního proudu do spodní stratosféry. V rovníkových oblastech sahají bouřkové oblaky do ještě větších výšek. A právě vertikální rozsah oblaku je pro následný vznik blesků důležitý. Jsou však i jiné druhy oblaků, které mají velký vertikální rozsah, jako je například nimbostratus, a přesto v nich k elektrickým výbojům nedochází. Bouřkový cumulonimbus je oproti jiným oblakům typický značnými vertikálním rychlostmi proudění, které přenášejí hmotu vody, případně ledu, rychle nahoru a dolů, a spolu s vodními nebo ledovými částicemi se přenáší také elektrický náboj, který je pokrývá. Vzniká tak polarizované elektrické pole, které při dostatečné intenzitě vede k výboji.

Výboj v plynu je docela samostatná kapitola, které bychom mohli věnovat celé videopořady. Obecně můžeme rozlišit výboj, který proběhne za atmosférického tlaku, nebo výboj ve zředěném plynu za nízkého tlaku, například v katodové trubici. Nás bude zajímat dění při blesku, kdy se určitý prostor ve vzduchu rozsvítí. Svítící plyn známe z přírody i z uměle navozené situace. Přírodní záření plynu je například polární záře, airglow nebo právě průvodní jev elektrických výbojů. Umělé záření vydávají například neonové trubice nebo doutnavky. Připomeňme si, že světlo vzniká při deexcitaci nebo rekombinaci excitovaných nebo ionizovaných atomů. Schématicky řečeno, je to proces, kdy se do atomu dodá zvenčí určitá energie, která přesune elektron do vyšší energetické hladiny, odkud se pak vrací zpátky do hladiny původní a stejnou energii zase vyzáří, často ve viditelném oboru spektra. Při ionizaci je elektron od atomu oddělen úplně a atom je pak připraven zachytit jiný elektron, opět při vyzáření určité energie. Takové věci kolem nás probíhají pořád. Třeba takové světlušky nebo luminiskující houby. V jejich hmotě probíhá účinná chemická reakce, při které se excitují atomy a při následné deexcitaci nastává zářivý nebo nezářivý přechod do původního stavu, říká se tomu bioluminiscence nebo chemiluminiscence. S trochou nadsázky bychom to nazvali skotačící elektrony a výsledky jejich hemžení vidíme nepřetržitě kolem sebe. Stačí škrtnout sirkou, její plamínek dodává do okolního plynu kolem dost tepelné energie, aby ho excitovala nebo ionizovala, a následně při deexcitacích a rekombinacích vznikalo světlo. Pokud se má vytvořit atmosférický blesk, je nutné nejprve navodit ionizovaný stav vzduchu.

Vzduch je za běžných okolností elektricky téměř nevodivý, jeho vodivost je velice nízká. Aby mohl vzduchem procházet elektrický náboj a vytvořit tak elektrický proud, musí se vzduch, jak jsme si řekli, nejprve ionizovat, to znamená oddělit jeden nebo více elektronů z atomů a molekul dusíku nebo kyslíku, které tvoří hlavní obsah zemské atmosféry. Blízko u zemského povrchu způsobuje ionizaci radioaktivní záření, to však zasahuje jen do výšek několika stovek metrů, nanejvýš kilometrů. Nad oceány je troposférická ionizace v ještě nižší vrstvě. S rostoucí výškou se stále více uplatňuje ionizace kosmickým zářením, takže vodivost vzduchu s rostoucí výškou exponenciálně narůstá. Ve výšce 18 kilometrů je vodivost vzduchu asi stokrát vyšší, než u povrchu. Ve výšce 50 až 60 kilometrů se už vzduch dá považovat za docela dobrý vodič, takže se tady elektrický náboj dobře rozprostře kolem celé zeměkoule do vrstvy. Tento náboj je kladný, protože ionizující záření, přicházející z vesmíru, svojí energií oddělí elektron od atomů atmosférických plynů, takže tyto atomy pak vystupují jako kladné ionty. Tuto vrstvu označujeme jako elektrosféru a můžeme ji považovat za kulovou desku kondenzátoru. Druhou desku pak tvoří záporně nabitý zemský povrch. Celý tento obří kondenzátor tedy tvoří záporně nabitý zemský povrch s celkovým nábojem asi půl milionu Coulombů, a kladně nabitá elektrosféra. Mezi těmito deskami je elektrické pole, jehož intenzita směřuje k zemskému povrchu. V atmosférických vědách se ovšem zavádí intenzita elektrického pole v obráceném směru, budeme ji tedy uvažovat, že míří od povrchu vzhůru. Povrch budeme považovat za nulovou hladinu elektrického potenciálu. V nízkých vrstvách atmosféry za klidného počasí je tento potenciál asi 130 Voltů na metr, s rostoucí výškou roste i tento potenciál.

Jak jsme řekli, atmosféra je u zemského povrchu téměř nevodivá a vodivost roste s výškou. Ale i ta malá vodivost u země stačí na to, aby tady procházel slabý elektrický proud, jehož hustota v celém rozsahu od země do horních vrstev atmosféry je asi 3krát 10 na mínus 12. Voltu na metr čtvereční. Což znamená, že z horní desky pomyslného kondenzátoru proudí kladně nabité částice směrem k zemskému povrchu a celý kondenzátor by se tak během několika minut vybil, nebo chcete-li, zneutralizoval, a celé zmíněné elektrické pole by zaniklo. Jenže to nenastává, elektrické pole je dlouhodobě stálé. Jak je tohle možné? Musí existovat nějaký mechanismus, který náš kondenzátor zase nabíjí, a za tím stojí oblačná elektřina, zejména ta bouřková. Řekli jsme, že s rostoucí výškou roste také elektrický potenciál, ale tento růst je nejvyšší v malých výškách a čím jsme výš, tím se tento nárůst zpomaluje, až se ve výškách elektrosféry, tedy 50 až 60 kilometrů, zastavuje. Mezi zemským povrchem a elektrosférou je celkový elektrický potenciál asi 10 na 5. Voltu.

Vraťme se trochu do minulosti, kdy koncem 18. století dělal Coulomb první měření elektrické vodivosti atmosféry. Tehdy si myslel, že vzduchové částice získávají elektrický náboj díky nárazům na zelektrovaná tělesa a následně jsou od nich elektrickými silami odpuzeny. O sto let později další badatelé zjistili, že v atmosféře se vyskytují kladně i záporně nabité částice molekulárních rozměrů s nábojem velikosti elektronu. Ještě o něco později, v roce 1905, byly zjištěny i větší elektricky nabité částice, tvořené aerosoly, na kterých se zachytily ionizované molekuly. Dnes je dokonce známo, že atmosférické ionty mají široké spektrum velikostí, v řádu 10 na mínus 10. až 10 na mínus 7. metru. Nositeli elektrického proudu v atmosféře jsou hlavně ty nejmenší částice, které mají velkou pohyblivost. Naopak velké částice jsou dost těžké a kvůli tomu jen málo pohyblivé. Malé částice se díky pohyblivosti dobře zachycují na aerosolech a vytvoří tak částice těžké. Aerosolů je nejvíc v blízkosti zemského povrchu, kde je také obvykle nejvyšší koncentrace těžkých iontů a tudíž nejslabší elektrická vodivost. Znečištění atmosféry vede ke vzniku těžkých iontů a zeslabené elektrické vodivosti. To se pozoruje i v oblačnosti nebo v mlze, všude se tu lehké ionty slučují s aerosolovými částicemi a jako samostatných částic těchto lehkých iontů proto ubývá.

Hlavním výrobcem iontů ve vzduchu je kosmické záření. Ionizace nastává největší měrou v horní atmosféře a směrem dolů k povrchu její vliv klesá. Stejně tak vliv kosmického ionizujícího záření narůstá směrem od rovníku k pólům. V atmosféře neustále proudí záporně nabité ionty od povrchu vzhůru a kladně nabité ionty shora k povrchu. Vodivost závisí na obsahu znečišťujících příměsí v atmosféře, kontaminace je vyšší nad pevninou, zatímco nad oceány je nízká. Nad pevninou je také výraznější denní chod teploty a turbulentního promíchávání atmosféry v nízkých hladinách, a tak i elektrická vodivost má v těchto vrstvách výrazný denní chod. Nejvyšší vodivost má vzduch u zemského povrchu ráno, protože noční klidnější vzduch není tolik znečištěn ve větším vertikálním rozsahu. Dopoledne narůstá turbulentní promíchávání vzduchu a aerosoly se tak dostávají mírně výše nad povrch, proto vodivost klesá. Dále během dne se aerosoly vlivem turbulence rozptýlí do většího rozsahu mezní vrstvy a u povrchu pak vodivost zase mírně roste. K večeru turbulentní promíchávání slábne a ustává, aerosoly klesají k zemi a u povrchu je proto zase zhoršená vodivost, která se pak zlepší až v noci. Maximální elektrickou vodivost mají nízké vrstvy atmosféry ke konci noci.

Tohle všechno, co jsme si popsali, se diametrálně změní v případě bouřek. Bouřkové oblaky obsahují značně velké elektrické náboje a jsou zdrojem nabíjení toho obřího elektrického kondenzátoru, o kterém jsme mluvili prve. Výskyt bouřkového cumulonimbu v určitém místě zcela změní strukturu elektrického pole v atmosféře. Elektrické poměry v atmosféře mění i jiné druhy oblaků, nicméně ne tolik, jako cumulonimbus. Nejmenší vliv mají oblaky, ze kterých nevypadávají srážky. Ale třeba takový srážkový nimbostratus už vykazuje polaritu rozložení svých nábojů a intenzita elektrického pole je v tomto oblaku 10krát silnější, než při bezoblačné obloze. Ale ani to nestačí na vytvoření bleskového výboje. Bouřkový cumulonimbus má rovněž polarizované rozložení náboje, avšak intenzita elektrického pole je zde 100krát větší, než při jasné obloze. V horní části oblaku se nahromadí značný kladný náboj, ve spodní pak značný záporný. Když pak začnou z oblaku vypadávat srážky, vytvoří se u základny oblaku ještě malé centrum kladných nábojů, pravděpodobně ale jen když v této části oblaku jsou nadnulové teploty. Silný záporný náboj ve spodní části oblaku pak indukuje na zemském povrchu pod oblakem oblast kladného náboje, tedy opačného, než jaký tam je při klidném ovzduší. Elektrické pole v cumulonimbu a jeho blízkém okolí tak nabývá složitější struktury. Proč je v bouřkovém oblaku zrovna takovéto rozložení a kvantita náboje, to byla dlouho neznámá odpověď, a ani dnes není úplně všechno dostatečně známo.

Dnes se ví, že podstatnou roli hrají ledové částice, které se v bouřkovém oblaku zcela běžně vyskytují. Vedle nich jsou tam také kapky přechlazené vody, což jsou kapičky s podnulovou teplotou až do mínus 40 °C, ale zůstávají v kapalném stavu. Ledové částice jsou něco jako termistor — k chladnější části se přesunou kladné náboje, k teplejší pak záporné. Když kapička přechlazené vody v oblaku narazí na ledovou částici, okamžitě přimrzá, ale přitom se uvolní skupenské teplo mrznutí, takže povrch ledového krystalku se stane o něco teplejší, než vnitřek. Můžeme tak říci, že ledový krystalek je obalený záporným nábojem. No a větší ledové částice jsou těžší a klesají ke spodní části oblaku, zatímco menší krystalky jsou vynášeny stoupavými proudy k horní partii oblaku, dochází k separaci nabitých částic vlivem gravitace, turbulence a vertikálního proudění v oblaku. Existuje ještě druhá, složitější teorie, popisující chemicko-fyzikální procesy přeskupování elektrického náboje s podobným výsledkem, tedy že větší a narůstající částice ledu se nabíjí záporně a menší částice kladně. Mezi cumulonimbem a zemí se vytvoří elektrické pole s intenzitou 10 až 20 kilovolt na metr, tedy 100 až 200krát silnější, než při klidném počasí. Orientace vektoru intenzity je opačná, shora dolů, míněno způsobem, jakým se popisuje tato intenzita ve fyzice atmosféry. Umístění center elektrického náboje v bouřkových oblacích se během vývoje bouřky mění, mechanismus toho však není zatím uspokojivě vysvětlený. Nicméně, máme už představu rozvinutého silného elektrického pole, které vytvořily procesy v bouřkovém oblaku.

Udělejme zase krátký exkurz do minulosti, do doby, kdy se začínaly zkoumat blesky, o kterých se vůbec netušilo, co to vlastně je. Starý dobrý Aristoteles se domníval, že blesk jsou vznícené výpary, stoupající ze země a kondenzující v oblačnosti. Uplynulo 2 tisíce let, když přišel Benjamin Franklin, významný americký politik a podnikatel, kterého zajímaly také poznatky soudobé přírodní vědy, a přestože byl jen vyučený knihtiskař a v oboru přírodních věd samouk, dosáhl pozoruhodných poznatků, které posunuly vědu dopředu. Mimo jiné dal do souvislosti blesk a atmosférickou elektřinu. Zkoumal to v roce 1752 se svým synem pomocí draka, vypouštěného do výšky pod bouřkovým oblakem. Dnes víme, že to není zrovna nejlepší nápad, protože bleskový výboj vyvolá v lanku draka silný elektrický proud, který může přítomného batatele snadno zabít, a to se i skutečně stalo jiným experimentátorům. Franklin naštěstí zažil jen jiskření na své ruce a pokus přežil a ani mu to nevzalo chuť k dalšímu bádání. Dospěl pak ke konstrukci bleskosvodu a i když toto zařízení vymysleli i jiní, tak Franklin je považován za jeho vynálezce. V českých zemích je známý Prokop Diviš, který postavil přístroj na odsávání atmosférické elektřiny přibližně ve stejné době, jako Franklin. V průběhu dalších staletí se dospělo k takovým vychytávkám, jako jsou aktivní bleskosvody, které jsou vybaveny tak, aby jejich hrotový vrchol ionizoval vzduch kolem a vytvořily se podmínky pro výboj mezi oblakem a právě špičkou bleskosvodu. Dělalo se to například pomocí radioaktivního materiálu na špici bleskosvodu, kdy radioaktivita způsobovala tu ionizaci. Dnes se místo radionuklidů používá kondenzátor, který se při bouřce sám nabije a pomocí násobiče napětí vytvoří silnější elektrické pole, než jakým disponují okolní povrchy. Sám tak nabízí bleskovému výboji optimální cíl k vybití. Tato technologie ovšem není všemocná ani stoprocentně účinná.

Přesuňme pozornost k samotnému blesku. Ukázali jsme si, že v bouřkovém oblaku se v jeho spodní části udržuje značný záporný náboj, proti kterému leží pod oblakem na zemském povrchu náboj kladný. Mezi oběma oblastmi je silné elektrické pole, ve kterém dochází k ionizaci vzduchu. Mimochodem, všimli jste si někdy, že těsně před bouřkou máte pozoruhodně dobrou náladu? Sám to mám tak, že když jsem například zabrán do práce a nemám přehled o počasí venku, všimnu si náhlého zlepšení celkové nálady, až mě napadne, jestli se neblíží bouřka — a vždycky se trefím. Vzduch, který obsahuje zvýšenou koncentraci záporně nabitých aniontů, má prokázaný příznivý vliv na naši psychiku. Do těla se anionty dostávají především dýcháním. Při bouřce v jejím silném elektrickém poli dochází k ionizaci. Elektrony, oddělené od atomů, se díky vysoké intenzitě elektrického pole pohybují velkou rychlostí směrem ke kladně nabitému zemskému povrchu a během tohoto pohybu narážejí na další atomy, respektive molekuly, které těmito nárazy rovněž ionizují. Počet ionizovaných molekul přitom lavinovitě roste. Když se v takovémto silném elektrickém poli umístí vodivý předmět opatřený hrotem, vodivě spojený se zemí, má tento hrot stejný elektrický potenciál jako zemský povrch. Hrot je však umístěn v určité výšce nad zemí a tak kolem něj dojde k zakřivení a zhuštění elektrických siločar, v důsledku toho nastane zesílení intenzity elektrického pole. V okolí hrotu se tak vytvoří podmínky pro ionizaci nárazem, takže tu vznikne oblak záporných iontů, které jsou pak vodivým předmětem přenášeny do zemského povrchu, na kterém se rozprostřou. Takto vznikají hrotové výboje na špičkách stromů, na bleskosvodech, stožárech a jiných předmětech, které mají hroty. Tyto úkazy známe jako sršení, nazývané také jako Eliášův oheň, jak ho pojmenovali námořníci na plachetnicích, když pozorovali modravé elektrické sršení na stožárech svých lodí v době bouřky.

Blesk, jak ho známe z bouřky, je však trochu jiný, než hrotový výboj. Zatímco hrotové výboje se odehrávají v malém prostoru kolem popsaných předmětů, blesk probíhá na podstatně větších rozměrech, a to buď uvnitř oblaku mezi horním centrem kladného a spodním centrem záporného náboje, mezi dvěma ne moc vzdálenými různými bouřkovými oblaky, nebo mezi centrem záporného náboje ve spodní části oblaku a zemí pod oblakem. Dalším speciálním případem jsou bleskové výboje směřující nahoru nad oblak. Dodnes se však stále přesně neví, jak funguje spouštěcí mechanismus samotného blesku. Napětí mezi oblakem a zemí je vysoké, avšak ke spuštění výboje nestačí, k tomu je potřeba potenciál asi 10krát vyšší. Zdá se pravděpodobné, že k vyvolání elektrického průrazu přispívají rychlé elektrony, které vznikají při interakci vysoce energetického kosmického záření s atmosférou jako produkt ionizace, no a v takto ionizovaném vzduchu lze docílit průrazu i za stávajícího elektrického potenciálu. Je také dost možné, že dalším přispěvatelem jsou ledové krystalky v oblaku, kolem jejichž špičatého tvaru se vytvoří hrotové výboje.

Před zábleskem se pod základnou cumulonimbu vyskytuje oblast silného záporného náboje. Při záblesku se u základny oblaku na milisekundu změní náboj na neutrální nebo dokonce mírně kladný, aby se potom za krátkou dobu vrátil zpět k záporným hodnotám. Během elektrického průrazu tak na kratičký čas dojde k oslabení center nábojů v oblaku. Samotný průběh blesku začne vůdčím výbojem, který se nazývá leader, který při svém šíření pod oblakem ionizuje další molekuly vzduchu a připravuje tak podmínky k hlavnímu výboji. Vůdčí výboj představuje elektrický proud, provázený slabě svítícím viditelným zářením. Vznikající kanál vede po určitých skocích, protože na jeho dráze dochází k poklesu gradientu napětí až pod určitou kritickou hodnotu, při které se pohyb výboje na desítky mikrosekund pozastaví, aby pak intenzita elektrického pole zase vzrostla a výboj pokračoval v dalším skokovém úseku, až dokud po asi 20 až 50 milisekundách nedorazí blízko nad zemský povrch. Délka skoků je v průměru asi 50 metrů, nejvýše asi 200 metrů. Průměr kanálu výboje bývá od několika milimetrů do několika centimetrů, někdy i více než 10 centimetrů. Vůdčí výboj se obvykle ve směru šíření rozvětvuje, i když ne vždycky. Rychlost šíření výboje je asi 100 až 300 kilometrů za sekundu a elektrický proud v něm má hodnotu od stovek ampér do 2000 ampér. Vůdčí výboj indukuje na zemi další kladný náboj, protože elektrony, přibližující se v podobě vůdčího výboje, působí na elektrony na zemském povrchu coulombovskou silou a odpuzují je.

Můžeme říci, že vůdčí výboj, blížící se shora k zemi, vlastně odhání elektrony od místa, kde se výboj dotkne země. Elektrony na zemi nemají problém se z toho místa vzdálit, protože zemský povrch je velmi dobrý vodič. Už jsme si prve řekli, že už dříve se pod bouřkou vytvořila oblast silného kladného náboje, která se přesouvá spolu s oblakem, a když se k zemi z oblaku přiblíží vůdčí výboj, hodnota kladného náboje tady ještě vzroste, tedy ještě o něco zesílí intenzita elektrického pole. Mezi polohou vůdčího výboje a zemí vznikne napětí asi 100 miliónů Voltů. To působí doslova jako výtah pro kladné náboje ze země a hlavně z vyvýšených objektů. Tyto náboje stoupají do výšky, přitahovány coulombovskou silou k elektronům, které se blíží shora. Kladné náboje proudí nahoru po budovách, stromech a všech jiných vodivých předmětech, například i po lidech nebo zvířatech, a tento proud nazýváme vstřícný výboj. Ten pokračuje ve své cestě nahoru, až se ve výšce několika stovek metrů potká s protiletícími elektrony. Tím se uzavře elektrický obvod a nastane hlavní výboj. Do země během milisekundy přejde 10 na 25. elektronů a započne hlavní výboj, směřující nahoru k oblaku rychlostí asi 80 až 100 tisíc kilometrů za sekundu. Taková rychlost představuje extrémně silný elektrický proud o hodnotě až stovek kiloampér. Tento proud vyvolává mohutnou ionizaci vzduchu, při které se uvolní množství dalších elektronů a nastane oslnivá záře, kterou dobře známe. Průchod takto extrémního elektrického proudu způsobí také zahřátí vzduchového kanálu na 25 až 30 tisíc Kelvinů, což se zjistilo spektrálním rozborem záření blesků. Vzduch se zahřátím velkou rychlostí rozpíná a tato expanze vytvoří rázovou vlnu, ve které je asi desetinásobný tlak oproti normálním podmínkám. Rázová vlna se pak od bleskového kanálu šíří do všech stran obvyklou rychlostí zvuku a my ji označujeme jako hrom. Expanze vzduchu vzniká v různých větvených částech blesku v růzých vzdálenostech od nás, proto k našemu sluchu docházejí rázové vlny v několika periodách, slyšíme také různé ozvěny a všechno dohromady dělá zvukovou kulisu, trvající i několik sekund.

Zpětný výboj ještě neznamená ukončení blesku, většinou ve zlomku sekundy nastávají další procesy nebo několikanásobné opakování toho, co jsme si popsali. Elektrony, které se oddělují od molekul vzduchu při masivní ionizaci zpětného výboje, se drží v kanálu blesku a pokud je jich dostatek, vyvolají ještě další výboj, který se pohybuje k zemi rychlostí asi 10 tisíc kilometrů za sekundu. Tento výboj má už nižší hodnotu elektrického proudu, asi 1000 ampér. Když se tento výboj spojí se zemí, dojde ke kratičkému zpětnému výboji s proudem 10 až 15 kiloampér. Od počáteční iniciace blesku do této chvíle uplynula zhruba necelá desetina sekundy. Po posledním zmíněném zpětném výboji trvá asi v polovině případů ještě několik desetin sekundy takzvaný průběžný proud o hodnotě do 100 ampér. To stačí na to, aby se zasažené místo významně zahřálo a případně se zapálilo. Je to jedna z příčin například lesních požárů nebo požárů jiných objektů.

Délka bleskového výboje je různá. Ve střední Evropě byl změřený blesk o délce asi 70 až 80 kilometrů. Ve Spojených státech amerických změřili v roce 2020 délku blesku 768 kilometrů, což je doposud největší zjištěná délka výboje.

Asi 90 až 95 procent blesků směřuje od oblaku k zemi. Zbývající část jsou blesky opačně polarizované. Jejich vůdčí výboj se šíří od zemského povrchu do oblaku, kterým prostupuje až do vrcholových partií, kde často změní směr na přibližně vodorovný skrze část oblaku zvanou incus. Protože tento oblačný chochol zaujímá prostor daleko okolo vlastního cumulonimbu, může tak vzniknout dojem, že viditelný blesk nastal ve velké vzdálenosti od bouřky, doslova z čistého nebe.

Speciálním případem, doposud ne zcela vysvětleným, je kulový blesk. Vzhledem k tomu, že tento jev se vyskytuje velmi sporadicky, jsou k dispozici jen svědectví laických pozorovatelů, naví emotivně zatížená. Doposud máme jen jediné skutečně vědecké pozorování kulového blesku, k němuž došlo náhodou při monitoringu spekter běžných blesků a do záznamu se dostal jeden blesk kulový. Takže známe jeho spektrum. Obě spektra jsou odlišná. Běžný blesk vykazuje ve spektru sérii emisních spektrálních čar jedenkrát ionizovaného dusíku, což je vzhledem ke složení atmosféry očekávatelné. Ve spektru kulového blesku však září emisní čáry křemíku, vápníku a železa, a v daleko slabší intenzitě také dusíku. Jedno z možných vysvětlení je, že běžný blesk udeřil do země, kde se vyskytují zmíněné prvky, dojde k prudkému zahřátí půdy a následně se do vzduchu dostanou oxidující křemičité částice ve tvaru malého oblaku. Toto vysvětlení ale nepokrývá všechny jevy, spojené s kulovým bleskem.

Blesk má sférický tvar o rozměrech jednotek až desítek centimetrů, bílé, žluté nebo namodralé barvy. Pohybují se vzduchem rychlostí decimetrů až metrů za sekundu, často podél vodivých předmětů. Trvání je 10 až 20 sekund, pak dojde k rozpadu, někdy provázenému hlukem. Asi polovina případů končí výbuchem, 40 procent rozpadů je pomalých a provázených syčením, zbývajících 10 procent se rozpadá na menší části. Kulový blesk je schopen propálit okno nebo prorazit zeď, dokonce byla zaznamenána i destrukce domu nebo zboření komínu. Není vůbec známo, kde kulový blesk získal takovou energii, aby mohl tyto procesy vykonat. Kulový blesk se zatím jen částečně podařilo vyvolat i laboratorně. Brazilští vědci vytvořili křemíkový obloukový výboj, ze kterého vzešly zářící plazmové kuličky o průměru 1 až 4 centimetry s životností do 5 sekund.

Další značně neprozkoumanou aktivitou jsou pozemské gama záblesky, směřující z bouřkových oblastí směrem z atmosféry nahoru. Zjištěny byly neočekávaně rentgenovým detektorem na družici COMPTON. Trvání záblesků bylo v řádu stovek mikrosekund až několik milisekund. Výzkum těchto záblesků pokračoval pomocí družice RHESSI, jejímž hlavním úkolem bylo měření gama a rentgenového záření při slunečních erupcích. Později se přidalo měření i z pozemských stanic. Ukázalo se, že fotony z pozemských gama záblesků mají větší energii, než gama záření ze Slunce. Pozemské gama záření vychází z oblačnosti se silnou bouřkovou aktivitou těsně před úderem běžného blesku a poslední výzkumy naznačují, že gama záblesky jsou průvodním jevem při skocích vůdčího výboje uvnitř oblaku v počátečních fázích při jeho pohybu zdola, od centra záporného náboje, nahoru k centru kladného náboje. O těchto gama záblescích se dlouho nevědělo, na celé planetě se jich denně odehraje asi 50.

Atraktivním tématem jsou nadoblačné blesky, označované jako Transient Luminous Event. Tyto optické jevy se pozorují nad silnými supercelárními bouřkami, zasahují od vrcholů bouřkových oblaků do výšek 60 až 90 kilometrů v závislosti na denní nebo noční době. Výjimečně se dají zaznamenat i prostým zrakem, běžně si jich ale nepovšimneme. Možná proto dlouho unikaly naší pozornosti a jejich podrobnější výzkum začal až po roce 1990. Podle fotografických záznamů dnes známe hlavní tvary těchto záblesků, pojmenované red sprite, halo, blue starter, blue jet, gigantic jet nebo elf. Nejčastěji se pozoruje red sprite, rudý skřítek. Podobně jako spektrum kulového blesku, i red sprite byl zaznamenán náhodou, když v roce 1990 zkoušel americký vědec Franz kameru na záznam polárních září a namířil ji ke vzdáleným bouřkám, seskupeným do tzv. mezoměřítkového konvektivního systému. Red sprite vystřeluje do výšek 60 až 90 kilometrů nad zemský povrch, jejich šířka může dosáhnout až 40 kilometrů. Předchází mu silný blesk z oblaku do země. Zatímco kanál běžného blesku má silnou ionizaci vzduchu, tak oblast výskytu red spritu je ionizovaná jen slabě. Útvar halo má tvar disku. Blue jet je dost vzácný, zasahuje do výšky asi 40 kilometrů rychlostí 100 kilometrů za sekundu. Gigantic jet je ve spodní části modrý, ve větší výšce přechází do červené barvy. To je způsobeno typem atomů a molekul, které jsou výbojem excitovány. Zasahuje do výšek 90 kilometrů a při jeho spuštění se také rozzáří vrcholová část bouřkového oblaku. Elf je nejrychlejší a největší typ těchto výbojů. Vyskytuje se ve výškách 100 kilometrů jako kruhový disk, který se rozrůstá do průměru i stovek kilometrů. Vzniká tak, že elektromagnetické vlny, doprovázející silné blesky, dodají energii elektronům ve spodní ionosféře, a tyto elektrony potom narážejí na molekuly dusíku, ionizují je a následně dochází rekombinací k záření ve tvaru zmíněného rozsáhlého kruhu.

O blescích a bouřkách bychom si mohli vyprávět ještě dlouho. Ionizace při bleskových aktivitách hraje například roli při formování některých organických molekul a tak se nedá vyloučit, že se bouřky mohly podílet na vzniku života na Zemi. Později, když už život na naší planetě existoval, způsobovaly bouřky lesní požáry, a to je událost, která dost zasahuje do rozvoje biosféry a životního cyklu lesa. V současné době snad nepotřebujeme, aby se bouřky podílely na vzniku dalších forem života, ale musíme před nimi chránit formy stávající, včetně sebe. Jak se tedy uchránit před zásahem blesku? To je otázka, kterou jako meteorolog občas dostávám. Podle mého názoru je nejlepší ochranou zůstat v budově a nevycházet ven, když je bouřka. Takže je důležité bedlivě sledovat předpověď počasí i jeho aktuální stav, a podle toho se pokud možno zařídit.

Chráněni jsme také uvnitř kovové schránky, například v autě se zavřenými okny. Pokud přece jenom jsme v otevřeném prostoru bez možnosti ochrany, sedněme si na bobek s chodidly u sebe, abychom snížili pravděpodobnost úderu blesku do nás a také abychom vyloučili krokové napětí, kdyby blesk uhodil do naší blízkosti. Vhodné je takto se umístit do nějaké prohlubně. Rozhodně se neukrývejme v jeskyních, protože tu je vysoká vlhkost, zvýšená radioaktivita a tím ionizace vzduchu, případně tu může být zábradlí jakožto vodič elektrického proudu. Právě v jeskyních dochází k hromadným úrazům při zásahu bleskem. Vhodný je pobyt poblíž bleskosvodu, zdroje uvádějí relativně bezpečnou zónu v okruhu 500 metrů kolem něj. Nedotýkejme se vodivých předmětů. Nezdržujme se na vyvýšených místech. Rozhodně se neschovávejme pod stromem, riziko zásahu bleskem je tu vysoké, strom obsahuje vodu, která se při úderu blesku prudce ohřeje a zvětšení jejího objemu vede ke zlomení stromu, který na nás spadne. Pokud jsme v lese, zdržujme se spíše v centru lesa než při jeho okraji, kde blesky probíhají častěji. I tak ale musíme být co nejdál od kmene a stát s nohama u sebe. Sundejme ze sebe všechny kovové věci a dejme co nejdál od sebe. Nebezpečný je úkryt ve stanu nebo pod skalním převisem, v blízkosti potoků nebo jiných vodních ploch, pod kovovým mostem. I když jsme doma, nedotýkejme se vodovodního potrubí nebo radiátoru.

Věřím, že se nám všem podaří uchránit před riziky bouřky a budeme si je vždy prohlížet jako krásný fyzikální úkaz, který doposud ukrývá ještě mnoho vědeckých tajemství.

O autorovi

Petr Dvořák (*1966) — absolvent Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, katedry fyziky atmosféry. Meteorolog, pilot malých letadel, lektor a učitel. Autor mnoha popularizačních knih o počasí, v letech 2010 až 2018 také tiskový mluvčí Českého hydrometeorologického ústavu. Koníčkem jsou přírodní vědy, zejména astronomie a astrofyzika, letectví, cyklistika, turistika, média, fotografování a produkce videoblogů pro pobavení přátel nebo pro popularizaci meteorologie a jiných atmosférických věd.

Kontakty a další informace:

RNDr. Petr Dvořák
Fyzik, meteorolog
Telefon: +420 770 690 333
Email: petr.dvorak@jasno.cz, fotton330@gmail.com
Facebook: www.facebook.com/petr330
Youtube kanál: www.youtube.com/@Fotton330channel