Záhada blesků: klíčovou roli hrají ledové částice v oblacích, vysvětluje meteorolog

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?

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
Zdroj: Bednář/Kopáček/Žák/2019: Jak vzniká počasí/Karolinum)

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
Zdroj: Laucksfoundation

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).

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Na půdě kolem Černobylu by se opět daly pěstovat potraviny, naznačuje studie

Desítky let byla půda v okolí ukrajinského Černobylu považována za nevyužitelnou kvůli havárii reaktoru jaderné elektrárny v roce 1986. Nový výzkum ale naznačuje, že by se dala bezpečně využívat pro zemědělství.
před 2 hhodinami

Kůrovcová kalamita polevuje. Brouka krotí počasí i věda

Kalamita lýkožrouta smrkového, kterému se říká lidově kůrovec, v Česku v posledních několika letech ustupuje. Díky tomu i klesá objem smrkového dřeva, které je nutné vytěžit. Podle expertů z Biologického centra Akademie věd v tom má silnou roli počasí, jež není pro tento hmyz tak výhodné. Pomáhají ale i nové zásadní úpravy v postupech ochrany lesa.
před 4 hhodinami

Vědci prozatím uchránili nejstarší strom světa před novou dálnicí

Nejstarší světový strom mohl být ohrožen výstavbou dálnice. Zachránila ho prozatím ovšem kampaň vědců. Ti zdůrazňují přínos podobných velikánů k poznání ohledně změn klimatu. Ve svém článku o příběhu stromu reportoval web německé stanice Deutsche Welle.
před 22 hhodinami

Ústup očkování v USA by svědčil hlavně spalničkám, ohrozil by miliony lidí

Očkování je jednou z páteří moderní medicíny. Stačí drobné snížení proočkovanosti a dopady na společnost jsou obrovské. Vědci na základě rozsáhlého modelu pro různé scénáře popsali, jaká budoucnost čeká ohledně šíření nakažlivých nemocí Spojené státy.
včera v 14:24

Firma Amazon vypustila první várku svých internetových družic

Společnost Amazon miliardáře Jeffa Bezose v pondělí tamního času (v noci na úterý SELČ) vypustila na oběžnou dráhu první várku družic svého projektu Kuiper, který má z vesmíru poskytovat vysokorychlostní internetové připojení po celém světě a snažit se konkurovat nyní dominantnímu Starlinku nejbohatšího muže planety Elona Muska. Informovaly o tom tiskové agentury s odkazem na živý přenos.
včeraAktualizovánovčera v 13:12

Levá, nebo pravá? Vědci zkoumali, do jaké ruky je lepší očkovat

Když lidé dostávají posilující dávku vakcíny, mnohdy si ji nenechají dát do stejné ruky jako tu první. Nový výzkum popsal, že vhodnější je očkovat do stejného místa. Výsledky by se podle autorů daly využít zejména během pandemií, během nichž je nutné očkovat v průběhu epidemické situace.
včera v 12:01

Do vesmíru odstartovala evropská sonda, která se zaměří na lesy

Po jedenácté hodině dopoledne odletěla do kosmu mise Evropské vesmírné agentury (ESA). Raketa Vega-C vynesla na oběžnou dráhu sondu Biomass, jejímž cílem je monitorovat biomasu na Zemi, hlavně lesy.
včeraAktualizovánovčera v 11:59

Čechoslovačky chtěly bojovat i na Západě. Vlastní armáda o ně ale nestála

I ženy chtěly bojovat – ale nezáleželo to pouze na jejich odhodlání. Pokud se Čechoslovačky chtěly zapojit do zahraničního odboje na Západě, musely se kromě svého odhodlání vybavit i silou čelit mnohým překážkám. Navzdory prvotním plánům se totiž nesměly do války zapojit v československé armádě, ale pouze v britských jednotkách jako cizinky. Více než dvě stě žen ochotných pomáhat v boji s Hitlerem přitom plnilo důležité úkoly – sloužily mimo jiné jako elektrikářky, opravářky optických přístrojů, šifrantky i baličky padáků. Ani válečné hrdinství jim ale uznání nepřineslo.
včera v 11:55
Načítání...