Při bouřce tvoří zemský povrch a atmosféra ohromný kondenzátor. Horní vrstvy vzduchu jsou nabité kladně, povrch Země záporně. Enormní elektrická napětí vznikají tak dlouho, dokud nedojde k náhlému výboji provázenému bleskem a hromem.
Jedno z nejvyšších atmosférických napětí registrovali meteorologické balóny v 90. letech minulého století. Zatímco průměrné blesky mívají méně než 50 miliónů voltů, v Novém Mexiku tehdy naměřili 130 miliónů voltů. Tento rekord byl překonán v roce 2014, a to hned desetkrát, o čemž v časopise Physical Review Letters referovali indičtí vědci z Cosmic Ray Laboratory.
Podstatná data pro studium blesků jim poskytlo zařízení GRAPES-3, primárně určené k výzkumu kosmických částic, které nepřetržitě bombardují zemskou atmosféru. Vzájemným působením s molekulami vzduchu vznikají další částice, mezi jinými miony. Při průchodu nabitých částic zařízením, které se nazývá scintilátor, vznikají světelné záblesky a z jejich intenzity lze soudit na energii prošlých částic.
Experimentální uspořádání GRAPES-3 obsahuje 400 scintilátorů rozmístěných na ploše 25 000 čtverečních metrů. Analýza energie mionů zaznamenaných při 184 bouřkách v letech 2011 až 2014 ukázala, že při jedné z nich byly nabité částice výrazně urychleny díky enormnímu elektrickému napětí mezi atmosférou a Zemí. Vypočtená hodnota tohoto napětí poskytla extrémní hodnotu 1,3 miliardy voltů.
Nový rekord možná pomůže k objasnění ne zcela jasného jevu, kterým je blesk. Lze totiž prokázat, že při bouřkách vzniká v malé míře záření gama, které má vysokou energii. Napětí několika desítek nebo stovek miliónů voltů však toto pozorované záření nestačí vyvolat. Hodnoty dokumentované indickými experimentátory s rekordním výsledkem nově poskytují důležitou indicii pro to, že elektrická napětí v bouřkové atmosféře přece jenom mohou sama o sobě být zodpovědná za vznik záření s vysokou energií.
A s gama zářením je spojeno i pozorování, které v roce 2017 publikovali v časopisu Nature vědci z kjótské univerzity. Při bouřce registrovali v souvislosti s bleskem gama záření, které je charakteristické pro anihilaci elektronu s pozitronem. Podle vědců pocházejí tyto pozitrony z rozpadu nestabilních atomů.
Zmíněné atomy jsou výsledkem jaderných reakcí vyvolaných bleskem. Bouřky tedy mohou být nezanedbatelným zdrojem izotopů. Gama záření vzniklé při vysokonapěťovém výboji zabrzděním elektronů s vysokou energií v atmosféře může uvolnit jeden neutron ze stabilního izotopu dusíku 14N. Tím vznikne velmi nestabilní izotop 13N a ten se okamžitě rozpadá na stabilnější uhlík 13C a jeden pozitron.
Japonští vědci se soustředili na měření gama záření. Bezprostředně po každém blesku zaznamenali vysokoenergetické gama záření s dobou trvání méně než jednu milisekundu. Poté však následovala další registrace, a to zhruba jednu minutu trvající gama záření s energií 511 keV. A to je právě energie gama kvant při anihilaci páru elektron-pozitron, která svědčí pro rozpad radioaktivních izotopů vzniklých prvním gama zářením.
Nyní bude třeba prozkoumat, které izotopy přesně mohou při bouřkách vznikat. Řešení této otázky může být velmi zajímavé pro archeology pracující s radiouhlíkovým datováním. V určitých regionech by totiž mohla být koncentrace radioizotopu 14C vzniklá při bouřkách srovnatelná s koncentrací tohoto izotopu vznikajícího s pomocí kosmického záření. To by pak zkreslovalo určování stáří biologických objektů.
Energie blesku je enormní. Ve většině případů jde o energie desetin až jednotek miliard joulů, což by stačilo k provozu domácnosti po dobu řádově měsíců. Šlo by tuto energii využít například pro veřejné osvětlení?
Jedním z velkých problémů je, že se neví, kde a kdy blesk udeří. To přesně věděl asi jen doktor Brown z kultovního sci-fi filmu Návrat do budoucnosti, který využil energie blesku k pohonu sportovního stroje času. Navíc bouřkových dnů v našem regionu není mnoho, například v Praze jsou to v průměru měsíčně jen 2-3 dny. A konečně, hodně energie blesku se přeměňuje v teplo, které ohřívá okolní vzduch na teploty vyšší, než je teplota povrchu Slunce, a v akustickou energii hromu. Takže i při vyřešení všech problémů by se získal jen malý zlomek celkové energie blesku. Lepším řešením by bylo nečekat na blesk a získávat energii z bouřkových mraků dříve, než blesk udeří. To je však z technického hlediska velmi nelehká úloha.
Zdroje:
B. Hariharan, A. Chandra, S. R. Dugad, et. al (GRAPES-3 Collaboration): Measurement of the Electrical Properties of a Thundercloud Through Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment. Phys. Rev. Lett. 122, 105101 – published 15 March 2019.
T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta et al: Photonuclear reactions triggered by lightning discharge. Nature 551 (2017), 481–484.
Welt der Physik: Gewitter mit Rekordspannungen. Welt der Physik: Startseite [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 16.05.2019]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/news/2019/gewitter-mit-rekordspannungen/
Welt der Physik: Gewitter können radioaktive Isotope erzeugen. Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/news/2017/gewitter-koennen-radioaktive-isotope-erzeugen/
Could you power a city with lightning? | physics.org. physics.org | Home [online]. Dostupné z: http://www.physics.org/facts/toast-power.asp
Mohlo by vás také zajímat:
Fyzika ve
sklenici
Není led jako
led
Kovové
fólie z jediného krystalu slibují kvalitní grafen