Nadoblačné blesky

Během miliard let vývoje naší Země se postupně utvářelo prostředí, v němž nyní žijeme a jemuž se náš organismus přizpůsoboval. Často si neuvědomujeme, jak složité je toto prostředí a jaké všechny fyzikální a chemické jevy na nás působí.

Žijeme v gravitačním poli určité intenzity a to dosti ovlivnilo stavbu naší kostry a vůbec našeho těla. Působí na nás dlouhodobě proměnné magnetické pole, o jehož účincích stále ještě víme velmi málo. Jsme vystaveni celému spektru slunečního záření částečně odfiltrovaného ozónovou vrstvou a celou atmosférou, kosmickému záření, před nímž nás částečně chrání magnetosféra, radioaktivnímu záření zemské kůry, ovzduší, ale i radioaktivních prvků v našem vlastním těle. Pociťujeme silnou závislost na okamžitém stavu atmosféry, jejím tlaku, teplotě a pohybu, ale i na mnoha dosud málo prozkoumaných účincích jejího chemického složení. Obyčejně si také neuvědomujeme, že se pohybujeme v dosti silném elektrickém poli – za jasného počasí naměří geofyzikové u povrchu Země napětí kolem 100 voltů na jeden metr výšky mířící směrem k zemi. Od hlavy k patě jsme tedy vystaveni napětí asi 150 voltů, aniž bychom to vůbec pozorovali.

Může za to ionosféra
Přítomnost elektrického pole v atmosféře souvisí s existencí ionosféry, mnohovrstevnaté oblasti, která obklopuje Zemi ve výškách od 60 km až asi ke 400 km. Ionosféra představuje nesmírně zředěné plazma vytvořené účinkem krátkovlnného slunečního záření; ve spodních vrstvách ionosféry převládají těžší ionty dusíku a kyslíku, na horní hranici ionosféry ionty vodíku a helia. Objev ionosféry souvisel s rozvojem radiotechniky ve 20. letech minulého století. K rozhlasovému vysílání byly tehdy využívány převážně vlny střední a dlouhé. O krátkých vlnách, které se šíří poměrně přímočaře, se předpokládalo, že vzhledem k zakřivení zemského povrchu nemohou mít daleký dosah, a proto byly přenechány radioamatérům. Těm se však překvapivě podařilo zachytit krátké vlny i na opačné straně zeměkoule a vysvětlení tohoto úkazu spočívalo ve vícenásobném odrazu vln od ionosféry a zemského povrchu.

Země umí dobře „vodit“
Zemský povrch (tvořený převážně výborně vodivou mořskou vodou) a ionosféra představují tak dvě soustředné kulové plochy, které tvoří elektrody obrovského sférického kondenzátoru a z hlediska šíření elektromagnetických vln vlastně i sférický vlnovod. Mezi ionosférou a zemským povrchem je napětí asi 400 kilovoltů a my se nacházíme v postavení vlaštovek, které sedí na jednom z vodičů dálkového elektrického vedení vysokého napětí. Ionosféra je přitom v neustálém pohybu, působí na ni kosmické vlivy, vane v ní ionosférický vítr a tento její neklid se projevuje rádiovými signály a poruchami šíření rádiových vln. Zemský kondenzátor s nábojem asi 20 000 coulombů se přitom neustále vybíjí. Atmosféra má celkový svodový odpor kolem 200 ohmů a stále jí protéká proud kolem 2 000 ampérů. Mluvíme o tzv. globálním atmosférickém elektrickém obvodu.

Bouřka coby baterie
Musíme se ovšem ptát, čím a jak se tento kondenzátor dobíjí a jak se udržuje proud v globálním obvodu. Baterií, která udržuje atmosférický proud, je bouřková činnost. Na celé zeměkouli proběhne za rok na 80 milionů bouřek, tedy asi 200 000 denně. Je možno počítat, že v každém okamžiku probíhá asi 2 000 bouřek, z nichž každá zaujímá plochu kolem 100 čtverečních kilometrů, převážně nad oceány. Přibližně půl procenta zemského povrchu je tak ustavičně vystaveno bouřce. Každou sekundu udeří na zemský povrch asi 100 blesků, které udržují jeho záporný elektrický náboj. Energie této bouřkové činnosti má ovšem svůj prapůvod v energii slunečního záření, které zahřívá zemský povrch, způsobuje prudké stoupání vlhkého teplého vzduchu do bouřkových mračen a přitom se v nich generují elektrické náboje a napětí. Při výboji blesků vznikají také elekromagnetické vlny, které se projevují jako atmosférické poruchy při rádiovém přenosu. Tyto atmosférické poruchy však mohou nastat i v případě deště, který není doprovázen blesky.

Oblak zvaný comulonimbus
Bouřkový mrak zvaný cumulonimbus má na rozdíl od běžných oblaků, jak říkáme, velký vertikální vývoj. Může sahat od několika set metrů nad povrchem Země až do výšek kolem 15 kilometrů, kde se teploty pohybují kolem -50° C. Ale je to stále nepatrná výška vzhledem ke spodní hranici ionosféry a bylo by divné, kdyby se v horní části zemského kondenzátoru, řekněme od 15 do 90 km, elektrická činnost nijak neprojevovala. Vzhledem k velkému zředění ovzduší v těchto výškách by ovšem nemohla mít podobu obvyklých blesků. Opticky by se takové jevy mohly projevovat slabými krátkodobými světelnými záblesky zbarvenými přítomností daného druhu iontů a zaujímajícími velkou oblast prostoru. Zároveň by bylo možno registrovat vyzařované rádiové vlny a poruchy přenosových signálů.

Výtrysky a přízraky
Pozorování takových přechodných světelných úkazů (v anglické zkratce TLE, transient luminous events) bylo sice hlášeno již delší dobu piloty létajícími ve velkých výškách, ale teprve v poslední době se podařilo zachytit tyto přízračné výboje citlivými CCD kamerami a zároveň registrovat vznikající rádiové vlny velmi nízkých frekvencí. Průkopníkem tohoto výzkumu se stal Victor P. Pasko z Pensylvánie a počet publikovaných zpráv postupně narůstá. Tak v roce 2003 uveřejnila skupina tchajwanských a japonských fyziků své výsledky z pozorování nadoblačných výbojů nad Jihočínským mořem. Za tropického lijáku se jim podařilo zachytit slabé, krátkodobé (trvání desítek milisekund) svítící útvary nad oblaky ve výškách od 30 do 100 km. Některé z nich nazvané „modré výtrysky“ podobné stromům vystupovaly z horní části mraků a směřovaly vzhůru do strato-sféry, jiné vytvářely modravé vodorovné prstence průměru kolem sta kilometrů ve výšce kolem 90 km. Fantasticky vyhlížející načervenalé výtrysky a přízraky („sprites“, „skřeti“), jakoby zavěšené ve výšce kolem 80 km, připomínaly obří kořeny mrkve délky kolem 40 km.
Podle analýzy fyziků mají tyto výboje opačný účinek než klasické blesky – vybíjejí ionosféru a způsobují pokles napětí globálního kondenzátoru. Výzkum všech těchto jevů je ovšem teprve v počátcích. Je ale zřejmé, že nejvyšší vrstvy atmosféry jsou dějištěm bouřlivé souhry elektrických, světelných a chemických dějů, které musíme důkladněji poznat. Mohou ovlivňovat nejen naši techniku, spoje a navigaci, ale přímo i náš život, který je na stavu naší tenké vrstvičky atmo-sféry osudově závislý.