Zdroj: http://n2studio.mzf.cz/priroda/blesky-krasne-a-nicive-meteorologia-c.1  •  Vydáno: 3.2.2010 9:29  •  Autor: Sadman

Blesky - krásne a ničivé - Meteorológia č.1

Blesky - krásne a ničivé - Meteorológia č.1 Búrky a blesky ľudí už odpradávna fascinovali, hoci ich podstatu dlho nechápali.Dnes sa už všeobecne vie, že blesky sú vlastne obrovské elektrické výboje v atmosfére. Názov je odvodený od indogermánskeho slova bhlei (čo v preklade znamená „svietiť“). Má rýchlosť od 160 až 1600 km/s a jeho teplota sa pohybuje až do 30 000 °C. Blesky sú sprevádzané tlakovou vlnou nazývanou tiež hrom (zvukový efekt búrky). Avšak odpovede na niektoré otázky týkajúce sa bleskov nie sú vždy zrejmé. Napríklad: ako a prečo dochádza k bleskom? Prečo často býva blesk rozvetvený? Ako dlho trvá? Prečo je sprevádzaný hrmením? Prečo sú blesky v zime zriedkavé? Čo je podstatou guľového blesku?

Prečo teda vznikajú blesky? Veľa ľudí si myslí, že blesky sú elektrické výboje, ktorými sa vybíja elektrické napätie medzi zemou a atmosférou. To však nie je celkom pravda. V skutočnosti dochádza iba k vybíjaniu záporného elektrického náboja oblaku do zeme, čím sa zem nabíja záporne. Atmosféra ostáva nabitá kladne. Medzi zemou a hornou vrstvou atmosféry, ionosférou, je neustále napätie asi 400 000 V. Pretože vzduch nie je dokonalý izolant, vzduchom prechádza smerom nadol elektrický prúd s hustotou 10-11 A/m2, čo v prepočte pre celý povrch Zeme predstavuje prúd až 1800 A. Takto by došlo k vybitiu celého náboja na povrchu Zeme asi za pol hodiny. Musí teda existovať mechanizmus, ktorý dobíja povrch Zeme. A to sú práve blesky. Teda bleskami sa napätie medzi Zemou a atmosférou nevybíja, ale nabíja.

K vytvoreniu blesku je potrebné, aby niekde v oblaku vznikla oblasť s veľkým záporným nábojom, ktorý sa neskôr bleskom prenesie na Zem. Obvykle bývajú v búrkových oblakoch dve hlavné centrá elektrického náboja (kladné hore a záporné dole) a prípadne vedľajšie kladné centrum dole v mieste vypadávania zrážok (obr.1). Ako ale dochádza k rozdeleniu kladného a záporného náboja? Presné vysvetlenie tohoto javu ešte nepoznáme, pravdepodobne k oddeleniu nábojov dochádza pri vzájomných zrážkach dažďových kvapiek alebo kryštálikov ľadu v oblakoch. Pritom sa väčšie častice (kvapky, ľad) nabíjajú záporne a menšie kladne. Veľké častice padajú dole, a tak sa v dolnej časti oblaku objaví záporné centrum. Hore ostáva prebytok kladného náboja, tvorený maličkými časticami, ktorých rýchlosť pádu je menšia ako rýchlosť vzostupného prúdenia.

Obr.1. Typické rozdelenie centier elektrického náboja v búrkovom oblaku

Takto sa nabije spodná časť oblaku napätím až miliardy voltov voči zemi, pričom vzhľadom na veľký záporný náboj v tejto časti oblaku sa zem pod oblakom javí kladne nabitá. Keď dosiahne intenzita elektrického poľa pod búrkovým oblakom asi 30 000 V/cm, vzduch prestáva byť izolantom a dochádza k elektrickému výboju - k blesku. Zistilo sa, že údery blesku sú mnohonásobné výboje po tej istej dráhe. Prvá fáza blesku je tvorená tzv. lídrom, ktorý nie je taký oslňujúci ako vlastný úder blesku. Pohybuje sa veľkou rýchlosťou (šestina rýchlosti svetla) po istých krokoch - prejde asi 50 m a zastaví sa. Stojí asi 50 mikrosekúnd, kým sa dobije nábojom z oblaku, a urobí ďalší krok (obr.2). Potom znova zastane a prejde ďalší úsek. Líder sa pohybuje po lomenej čiare aj preto, lebo vo vzduchu sú viaceré miesta s kladným nábojom. V lídri sú rýchle sa pohybujúce záporné náboje z oblaku, ktoré zrážkami ionizujú molekuly vzduchu a vytvárajú vodivú cestu. Svieti iba spodná časť lídra, ale kvôli jeho veľkej rýchlosti sa nám zdá, že svieti celý kanál vytvorený lídrom.

Obr. 2. Vznik stupňovitého lídra

Keď sa líder dostane do výšky asi 100 m nad zem, tak sa zo zeme dvíha k nemu protismerný výboj. Ak je na povrchu zeme nejaký špicatý predmet, napríklad budova s hrotom navrchu, elektrické pole je najväčšie práve v týchto miestach, a tak odtiaľto vyrazí smerom nahor samostatný výboj a dosiahne líder. Tým sa uzatvorí vodivá cesta a blesk udrie do tohoto hrotu. Preto sa počas búrky treba vyhýbať vyvýšeným miestam a osamelým stromom. Na otvorenej rovine sa treba prikrčiť tak nízko ako sa len dá, a minimalizovať kontakt so zemou. Takže v okamihu, keď sa líder spojí so zemským povrchom je vytvorená vodivá cesta medzi oblakom a zemou, ktorá je vyplnená záporným nábojom. Teraz môže konečne záporný náboj z oblaku jednoducho vytiecť. Najskôr to urobia elektróny v spodnej časti lídra, potom z vyšších oblastí lídra, až napokon vytečie veľkou rýchlosťou všetok záporný náboj z nejakej časti oblaku. Tento hlavný úder blesku je najjasnejší a nazýva sa spätný úder (obr.3). Priemer kanálu blesku je obyčajne niekoľko centimetrov, dĺžka 2 až 3 km a teplota až 25 000 °C. Veľkosť prúdu v blesku dosahuje asi 10 000 A. Pohyb lídra nadol trvá priemerne 20 milisekúnd a spätný úder trvá len 0,1 milisekundy.

Obr. 3. Spätný úder blesku sa šíri po dráhe vytvorenej lídrom

Rýchle a prudké ohriatie vzduchu v oblasti kanála blesku spôsobuje jeho náhle rozpínanie, ktoré pripomína výbuch. Tento výbuch uvádza vzduch do kmitania, ktoré počujeme ako dunenie. Po pretečení elektrického prúdu kanálom teplota v kanáli náhle klesne, vzduch sa rýchlo zmršťuje a znova dochádza k jeho kmitaniu. Vzniká hrmenie. Zvukové vlny sa môžu pritom odrážať od Zeme aj od oblakov, čím sa znásobuje aj tak už dosť nepríjemný akustický jav. K hrmeniu prispieva aj výbuch zmesi kyslíka a vodíka, ktorá vzniká z vodnej pary pri prudkom zohriatí vzduchu v kanáli blesku pod vplyvom elektrického výboja. Hrmenie, ako každý zvuk, sa šíri vo vzduchu rýchlosťou asi 330 m/s. Pomocou časového oneskorenia hrmenia za zábleskom potom môžeme určiť vzdialenosť úderu blesku od nás.

To však nie je všetko. Po niekoľkých stotinách sekundy od vyhasnutia spätného úderu často prichádza nadol, po už vytvorenom kanáli, ďalší líder. Je to preto, lebo prvým úderom blesku sa nedokázal vybiť celý záporný náboj oblaku. Tento druhý líder ide už bez prestávok, lebo kanál je ešte stále vodivý od predchádzajúceho úderu. Opäť sa napĺňa záporným nábojom a v okamihu dotyku so zemou sa zase objavuje spätný úder. Môžeme teda vidieť blesk ešte raz. Niekedy preskočí po tej istej dráhe päť krát, niekedy aj desať krát v rýchlom slede za sebou.

Inokedy sa situácia ešte viac skomplikuje. Napríklad na niektorej zo svojich zastávok sa môže líder rozvetviť. Ako to skončí, závisí od toho, či jedna vetva lídra dosiahne zemský povrch omnoho skôr ako druhá. Pokiaľ áno, tak pri spätnom údere vytečie záporný náboj pomalšej vetvy cez rýchlejšiu vetvu a vtedy vidíme v pomalšej vetve jasný výboj smerom nadol od miesta delenia. Ak ale obe vetvy dosiahnu povrch Zeme približne naraz, tak niekedy môže dôjsť k tomu, že druhý líder pôjde pomalšou vetvou, a tak možno vidieť prvý hlavný záblesk na jednom mieste a druhý na inom.

Búrky a blesky sa nevyskytujú na Zemi rovnomerne, ale väčšinou sú sústredné do oblastí nižších zemepisných šírok, do tzv. svetových búrkových centier, medzi ktoré patrí oblasť západnej a strednej Afriky, centrálne oblasti Brazílie, Panamský prieplav a južné Mexiko a podobne. V týchto oblastiach sú lepšie podmienky na vznik oblačnej elektriny potrebnej pre vznik bleskov. To je aj príčina, prečo nie sú blesky tak časté napríklad v zime.

img

Obr. 4. Vetvený blesk

Vzácnym javom vyskytujúcim sa pri búrkach je guľový blesk. Máva tvar gule priemeru od niekoľko centimetrov po niekoľko metrov, prejavuje sa svetielkovaním v rôznych farbách, voľne sa vznáša vo vzduchu alebo klesá nadol. Čas jeho života je od niekoľko sekúnd po niekoľko minút. Niekedy mizne výbuchom, inokedy sa ticho rozplynie. Do budov najčastejšie vniká komínmi alebo oknami, a má deštruktívne účinky, pri dotyku vznikajú popáleniny. Jeho pôvod nie je dosiaľ celkom objasnený, väčšinou sa usudzuje, že ide o istú formu existencie plazmy v atmosfére.

img

Obr. 5. Búrkový oblak preťatý bleskom, autor záberu: Mark Humpage

Ako sa chrániť pred bleskom?

* V priebehu búrky nevychádzajte von.
* Ak sa nachádzate vonku, vyhľadajte úkryt: budovy (oceľová alebo železobetónová konštrukcia, bleskozvod), hustý les (vyhľadať nižšie stromy a kríky), úpätie vysokej skalnej steny.
* Neschovávajte sa pod osamelými stromami.
* Neschovávajte sa ani na vyvýšených miestach a pod železnými konštrukciami (elektrické vedenie).
* Netelefonujte a vypnite si mobilný telefón!
* Nekúpajte sa, ani windsurfing a ani plavba loďkou.
* Vypnite elektrické spotrebiče z elektrického rozvodu
* Nenoste dáždnik ani podobne kovové predmety – fungujú ako bleskozvod
* Ak ste na rozľahlej lúke, nepokračujte ďalej v ceste (neutekajte!!) a nezostavajte v skupine. Najbezpečnejšie je ostať v podrepe s nohami a rukami tesne pri sebe.
* Nezdržujte sa v blízkosti potokov, v jaskyniach v skalách a ani stan nie je dobrý nápad!!!
* Nebezpečná vzdialenosť blesku od vás je 3 km (spôsob ako určiť vzdialenosť blesku je popísaný vyššie). V bezpečnom úkryte by ste mali ostať dovtedy, pokiaľ blesk nie je vo vzdialenosti 10 km.
* Ak ste v aute, zavrite všetky okná a dvere. Karoséria auta vám vytvorí bezpečný úkryt (Faradayová klietka).
* Ak ste v budove, zdržujte sa na suchom mieste, ďalej od vodovodov, elektrických zásuviek a zariadení. Zavrite okná.

Použitá literatúra:

1. R. P. Feynman, R. B. Leighton a M. Sands: Feynmanove prednášky z fyziky 3, Alfa, Bratislava 1988, str. 189-213

2. J. Bednář: Pozoruhodné jevy v atmosféře, Academia, Praha 1989, str. 190 -218

3. C.D. Ahrens: Meteorology Today, West Publishing Company, St. Paul, 1988, str. 436-441

Rôzne internetové zdroje, články.

Oblaky - Meteorológia č. 2

„Nikdy se nesměji nejlépe. Bojím se, že by to mohlo být naposledy.“ Jan Werich