Letošní léto je bohaté na bouřky a blesky. Blesky pro někoho představují velmi působivé nebeské divadlo, pro jiné jsou spíše zdrojem obav – každopádně jsou nejvýraznějším projevem atmosférické elektřiny. Spojují centra oblačných nábojů navzájem nebo se zemským povrchem. Otázka ale je, jak tyto shluky nábojů vedoucích následně k bleskům v mracích vznikají. A k čemu jsou vlastně blesky v atmosféře dobré?
Záhada blesků: klíčovou roli hrají ledové částice v oblacích, vysvětluje meteorolog
Na úvod je vhodné podotknout, že atmosféra a povrch země jsou nabity elektrickými náboji opačné polarity: země je záporná, atmosféra kladná. Proto v atmosféře vzniká přibližně vertikálně orientované elektrické pole, jehož intenzita dosahuje u zemského povrchu za podmínek klidného počasí hodnot kolem 130 až 140 voltů na metr. S ohledem na malou elektrickou vodivost vzduchu a také na základě pozorování si přitom můžeme zjednodušeně představit soustavu země – atmosféra v podobě obřího kondenzátoru. Ten tvoří záporně nabitý povrch a kladně nabité vyšší vrstvy atmosféry.
Tento pomyslný kondenzátor se díky zmíněné malé vodivosti vzduchu sice pomalu vybíjí, jenže měření ukazují, že elektrické pole v ovzduší je ve skutečnosti záležitost dlouhodobá a stálá. Musí proto existovat nějaký dobíjecí mechanismus, kterým jsou zejména blesky.
Schéma zemského sférického kondenzátoru – povrch je záporně nabitý, atmosféra kladně
Elektrické jevy v podobě blesků jsou sice spjaty s bouřkovými mraky druhu cumulonimbus, ale elektrické efekty vykazují i ostatní oblaky. Relativně nejslabší jsou u nesrážkových mraků, o něco silnější je pak pozorujeme zejména u oblačnosti druhu nimbostratus, který přináší trvalý déšť, případně sněžení. V těchto oblacích obvykle sledujeme bipolární strukturu, kdy v dolní části oblaku je zpravidla koncentrován záporný a v horní části kladný náboj, a elektrická pole jsou o řád silnější než v bezoblačném vzduchu – řádově tisíce voltů na metr. Nejsilnější projevy elektřiny pozorujeme, jak už bylo výše zmíněno, u kumulonimbů, kdy bipolární struktura je už výlučná a elektrické pole uvnitř oblaku i pod ním je alespoň o dva řády větší – tedy desetitisíce voltů na metr.
Otázkou je, jak dojde ke vzniku těchto dvou center náboje v bouřkovém oblaku. Odpověď na tuto otázku meteorologie hledala dlouho a několik ve své době populárních teorií z první poloviny 20. století (Wilsonova, Wallova) se ukázalo být nedostatečnými z hlediska kvantitativního. Na základě současných poznatků můžeme říct, že největší váhu mají procesy spojené s přítomností ledových částic v oblacích, což je u kumulonimbů naprosto běžné. Bouřkové oblaky se totiž skládají jak z těchto ledových částic, tak i kapiček přechlazené, nezmrzlé vody s teplotou pod nula °C. Tyto procesy se pak na vzniku center oblačných nábojů můžou podílet dvojím způsobem.
V bouřkových oblacích dochází ke srážkám malých ledových krystalků s většími ledovými krupkami, při tom dochází k nabíjení a následné separaci nábojů
Jeden vychází z termoelektrických vlastností ledu, při něm dochází k nabíjení chladnějšího konce ledové částice kladně, teplejšího záporně. Větší ledové částice při pohybu v bouřkovém oblaku zachytí mnohem více kapiček přechlazené vody (s teplotou pod 0 °C) než malé kousky ledu, víc se tedy na svém povrchu ohřívají než drobné ledové částečky. Při vzájemných nárazech se pak na okamžik dostává do kontaktu teplejší povrch velkých kousků ledu s chladnějším povrchem menších ledových krystalků a úlomků, což způsobí, že velké částice se nabíjejí záporně, zatímco malé kladně. A velké ledové částice, které jsou těžší, pak díky gravitaci propadávají do spodní části oblaků, kde vytvářejí záporné centrum náboje. Kladné jsou naopak unášeny vzhůru a vytvářejí kladné centrum náboje v horní části bouřkového mraku.
Druhý způsob předpokládá, že proces zachycování přechlazených vodních kapiček na povrchu oblačných ledových částic může být natolik intenzivní, že přechlazená voda okamžitě nezmrzne a led se přechodně obalí tenkou vrstvou přechlazené vody. Při tom dochází k zápornému nabíjení ledu a ke kladnému nabíjení obalové vrstvy přechlazené vody. Díky silné turbulenci typické pro bouřkový oblak pak dochází k četným srážkám částic, při kterých můžou z obalové vrstvy vody odstřikovat drobné kladně nabité vodní kapičky, které pak působením vzestupných vzdušných proudů směřují do horní části oblaku. Záporně nabité větší elementy propadávají dolů, neboť jejich pádová rychlost převyšuje rychlost vzestupných proudů vzduchu.
Obecně je tedy možné říct, že větší srážkové částice se nabíjejí záporně, zatímco v jejich okolí se vytváří přebytek kladného náboje. Působením zemské tíže a výstupných pohybů vyskytujících se v bouřkovém mraku pak dojde k separaci nábojů, kdy velké částice padají dolů a tvoří dolní centrum záporného náboje, zatímco malé částice jsou vynášeny vzhůru a vytvářejí pak přebytek kladného náboje.
Pro úplnost je na tomto místě vhodné uvést, že často se v bouřkovém mraku vyskytuje i podstatně menší, podružné centrum kladného náboje, a to v blízkosti základny oblaku. Je vázáno na intenzivní vypadávání srážek za předpokladu, že teplota vzduchu už je v této části mraku nad nulou.
Výsledný bleskový výboj pak vzniká buď mezi jednotlivými centry oblačného náboje, nebo mezi centrem tohoto náboje a zemským povrchem (s opačným znaménkem elektrického náboje).