ilustračná foto

Prihliadnuc na náboje na zemskom povrchu a vo veľkých výškach vznikla myšlienka sférického kondenzátora v podobe záporne nabitého povrchu Zeme a kladne nabitej ionosféry, ktoré oddeľuje vzduch s menšou elektrickou vodivosťou. Tu vznikajú javy, ktoré zabezpečujú stálosť elektrického poľa a sú pravidelne pozorované ľuďmi ako aj zaznamenávané meteorologickými stanicami po celom svete. 

Obrázok 1. Sférický kondenzátor 

Počas priebehu elektrických procesov sa uvádzajú dva typy prostredia, "fair weather conditions" pre pokojnú poveternostnú situáciu a "disturb weather conditions", ktoré je charakteristické najmä počas búrok. Vo zvislo orientovanom elektrickom poli neustále preteká elektrický prúd, ktorý k zemskému povrchu privádza kladný náboj. V každom stĺpci atmosféry s prierezom a plochou 1 m2 z ionosféry k zemskému povrchu, preteká elektrický prúd I, ktorý sa dá vyjadriť nasledovne:

, kde VI predstavuje elektrický potenciál ionosféry s hodnotou 250 kV, ktorý udržuje regenerácia náboja od zemského povrchu a Rc označuje odpor vzduchu 125 PΩm. Výsledná veľkosť elektrického prúdu sa vo všeobecnosti rovná 2 pA.m-2.

Obrázok 2. Globálny model sférického kondenzátora

Závislosť hustoty vertikálne pretekajúceho elektrického prúdu a nadmorskej výšky dokážeme pomocou Ohmov zákona v diferenciálnom tvare: 

z kade zistíme, že s narastajúcou výškou slabne intenzita elektrického poľa a tým sa spomaľuje nárast elektrického potenciálu. Rozdiel potenciálov medzi zemských povrchom a ionosférou tak dosahuje 105 V. Elektrostatická príťažlivosť vo vzduchu, vyvolaná v úvode spomínanou ionizáciou, zapríčiňuje vznik skupín ionizovaných a neutrálnych molekúl. Tieto molekuly sa v ovzduší môžu zachytiť na aerosolových časticiach. Všetky elektricky nabité častice, molekuly, skupiny a aerosolové častice sa nazývajú aeroionty. H. Israël ich rozdelil podľa veľkosti polomeru na ionty ľahké, stredné, ťažké a veľmi ťažké. Prihliadnuc na ich veľkosť a pohyb v elektrickom poli, najviac prispievajú k pretekaniu elektrickému prúdu tie s menším polomerom. Keďže znečistenie vzduchu má na svedomí zvýšený počet aerosolových častíc a tým aj znižovanie početnosti malých iontov, možno pri takomto stave pozorovať zníženú vodivosť ovzdušia a podobne to funguje aj v oblakoch.

Obrázok 3. Vznik aeroíonov 

Správanie sa elektrického poľa a nábojov v oblakoch má značne zložitejší priebeh ako za bezoblačného počasia. Oblačnú elektrinu dodnes nespája jednotná teória, ktorá by vysvetľovala dôvody rozloženia elektrického náboja v slabo vertikálne vyvinutých oblakoch a naopak v tých, ktoré vystupujú až do stratosféry. Výskumami z minulosti možno konštatovať, že dôležitý vplyv na rozdiel elektrických potenciálov v oblaku má vertikálna rozvinutosť a s tým spojené teplotné rozdiely, ktoré spôsobujú rozdielne fyzikálne vlastnosti látok(voda a ľad) ako aj prúdenie vzduchu. Práve preto počas chladnejších mesiacov možno pozorovať výskyt elektrických výbojov aj v oblakoch s nižšie položenou hornou hranicou. Vrstevnatá oblačnosť disponuje malý elektrickým nábojom, ktorý je takmer zrovnateľný s tým za pekného počasia. S narastajúcou mohutnosťou a výškou oblakov sa zvýrazňuje vzdušné prúdenie, teplotné pomery a zmeny skupenstiev vody. Medzi dôsledok vplývajúci na elektrický náboj pri vysokej hornej hranice oblačnosti môžeme zaradiť aj zvýšený vplyv ultrafialového žiarenia a následnej ionizácie. 

Obrázok 4. Zoskupenie nábojov v okolí oblakov

Obrázok 5. Náboje vo vnútri oblaku

Počas zrážok sa prenosom kladného náboja z vyšších hladín vytvára samostatné kladné centrum v základni oblaku. Lenardov jav opisuje odštepovanie záporných nábojov pri rozpade vodných kvapiek. Taktiež dokázal, že kvapky s priemerom väčším ako 5,5 mm sa pri voľnom páde rozpadajú. Vodné kvapky sa pohybom v oblaku zelektrizujú, kedy vnútro je nabité kladne a povrch záporne. Pri rozpade kvapiek sú malé odštiepené časti nabité záporne a zvyšné kladne. Vo vnútri oblakov prebieha naproti rozpadu aj koagulácia a agregácia. Rozdiely elektrických nábojov prebiehajú taktiež pri záporných teplotách, kedy sa stretávajú ľadové kryštáliky a podchladená voda. Záporne nabitý oblak vyvoláva elektrostatickou indukciou na priľahlej zemi kladný náboj. Ten sa rozkladá na najvyšších predmetoch na povrchu. V prípade búrkových situácií dosahujú hodnoty elektrického poľa na zemskom povrchu pod základňou oblaku až desiatky tisíc V.m-1. Rozdiely potenciálov nedokáže elektrický prúd postupne vyrovnávať a po dosiahnutí kritickej hodnoty napätia elektrického poľa 10 000 V na centimeter nastáva elektrický výboj.

Blesk, ako náhly elektrický výboj medzi dvoma centrami rozdielnej polarity, nemá priamy vplyv na priebeh počasia, aj keď určité pôsobenie nemožno zanedbať. V závislosti od toho kde sa nachádza počiatok a koniec výboja sa blesky delia na CG(medzi oblakom a zemou), CA(medzi oblakom a atmosférou), CC(medzi dvoma oblakmi) a IC(vo vnútri oblaku), poprípade je možný aj výboj za jasného počasia alebo vedúci zo zeme do oblaku. Z vyššie spomínaných dôvodov sa častejšie vyskytujú blesky CG- ako CG+, ktoré sú mohutnejšie a smerujú k zemi z vrchnej časti búrkového oblaku. V prvej fáze CG blesku vzniká tzv. leader, kedy v za sebou idúcich stupňoch klesá k zemi záporný náboj približne 5 C. Už pri tvorbe blesku sa kanál jeho postupu zohrieva na viac ako 30 000°C. Vysoká teplota a rozpínanie okolitého vzduchu spôsobujú silný zvukový efekt, teda hrom. Nakoľko sa nesúhlasné náboje priťahujú, zo zeme nahor v ústrety zápornému smeruje kladný, čím vznikajú vzostupné výboje. Miesto úderu blesku závisí práve od spojenia dvoch opačných nábojov. Cez kanál blesku preteká stále väčšie množstvo náboja z oblaku, pričom dosahuje šírku do 10cm, výnimočne okolo 30cm. Veľké blesky s kladným nábojom môžu dosiahnuť prúd až 120 kA a náboj 350 C. Letiace elektróny sa k zemi pohybujú rýchlosťou 100 km/s. Spätný ráz, ktorý človek zaznamenáva ako svetelný jav sa pohybuje rýchlosťou až 20 000km/s, preto nie je oko schopné rozoznať pohyb blesku a pozoruje len jednotný svetelný záblesk. Z estetického hľadiska sa rozlišuje blesk čiarový, perlový, rozvetvený, plošný, stuhový a guľový.

Obrázok 6. Elektrický výboj CG+ zachytený v Peci pod snežkou 20.mája 2011 v ranných hodinách

Guľový blesk je samostatnou kategóriou medzi tvarom a správaním sa bleskov. Jeho výskyt a podstata zatiaľ nie sú jednoznačne popísané a taktiež chýbajú snímky, ktoré by potvrdzovali jeho existenciu. K tvorbe hypotéz zatiaľ prispievajú najmä svedectvá osôb, ktoré sa s ním stretli. Poznáme veľa fyzikálnych teórií o jeho vlastnostiach. V podstate ide o sférický útvar s priemerom do desiatok centimetrov, poprípade metrov. Hypotézy hovoria o sústredenej elektrónovej plazme, ktorá vzniká v okolí čiarového blesku pôsobením extrémnych fyzikálnych podmienok a čerpá energiu z vonkajšieho prostredia, ktoré je bohaté na voľné elektróny a ióny. Tieto hypotézy však nepodporujú svedectvá, kedy sa guľový blesk objavil v interiéry ďaleko od búrky, dokonca aj za pokojné počasia. Niektorí ľudia pripisujú guľovému blesku určitú inteligenciu za jeho neuveriteľné správanie. Príbehy rozprávajú a prenasledovaní ľudí bleskom, zastavení a následným pohybom, prenikaním do budov cez malé priechody alebo vyberaným útokom na ľudí.

Obrázok 7. Hypotetická fotografia guľového blesku 

Eliášov oheň alebo hrotový výboj vzniká počas silného elektrického poľa, ktoré vytvára podmienky na tzv. ionizáciu nárazom. Tá prebieha v okolí vyčnievajúcich predmetov zo zemského povrchu ako stromy, stožiare, bleskozvody, skaly a to nielen počas búrky, ale aj silného vetra a hmly najmä na horách alebo na mori. V okolí hrotov prostredníctvom ionizácie nárazom sú uzemnením prenášané k zemi opačne nabité častice ako povrch zeme. Podobne ako v oblakoch, aj tu existuje kritická hranica s hodnotou 600-1000 V.m-1, po ktorej dosiahnutí nastáva výboj. Hrotové výboje môžu mať vcelku dlhé trvanie a spravidla sú sprevádzané praskaním alebo syčaním. Pre svoju slabú svietivosť sú počas dňa takmer neviditeľné.

Obrázok 8. Eliášov oheň na krídle lietadla

Do tejto kategórie sa zaraďujú všetky elektrické úkazy, ktoré prebiehajú medzi mohutnými búrkovými systémami a ionosférou, anglicky Transient Luminous Events. Ide o pomerne vzácne atmosferické javy, ku čomu prispieva aj slabá viditeľnosť ľudským okom a dĺžka trvania. Ich vznik sa viaže výlučne na elektricky veľmi aktívne búrky a majú veľmi krátke trvanie, maximálne jednu sekundu. V anglickom jazyku sú sem patriace druhy nazývané Red Sprites, Elves, Blue Jets a Gigantic Jets, viď obrázok č.10. Vzhľadom na výšku, v ktorej sa vyskytujú(15-100km) sú veľmi slabo preskúmané.

Obrázok 9. Farebne upravený Red sprite

Teórie hovoria o tom, že vzduch v týchto výškach je mimoriadne riedky a elektrické pole také silné, že vzduch môže ionizovať ako plyn v neónovej lampe. Zvýšená koncentrácia dusíka tak pravdepodobne spôsobuje to, že Red sprite nadobúda červenú farbu, ktorou horí dusík. Tieto javy pravdepodobne vznikajú uvoľnením elektrónov s energiou väčšou ako 1 MeV pri pôsobení kozmického žiarenia na búrkovú oblačnosť, nad ktorou veľkou rýchlosťou expandujú smerom k ionosfére. Žiarenie elektrónov v interakcií s molekulami vzduchu produkuje röntgenové žiarenie a ako druhotné gamma žiarenie. Predpokladá sa, že tieto javy sprevádza intenzívny rádiový prenos dosahujúcich desiatky MHz. Hlavne výskytu red sprite je pripisovaná určitá súvislosť s bleskami CG+. 

Obrázok 10. Druhy Transient Luminous Events

Ide o najvyššie vyskytujúci sa elektrický jav v atmosfére s tvarom závojou, pásov, oblúkov alebo lúčov rozličnej farby. Zafarbenie polárnych žiar závisí od výšky, v ktorej sa nachádzajú a od častíc, ktoré ich vyžarujú. Vo vysokých výškach atómy kyslíka absorbujú energiu a spôsobujú až hnedočervené sfarbenie, v nižších zelené. Dusík má za následok modré sfarbenie, ak bol atóm ionizovaný a červenú po excitácií. Kombináciou farieb sa ešte pozoruje ružové alebo žlté sfarbenie. Aurora vzniká vo výškach od 80 až po približne 800 km ako dôsledok korpuskulárneho žiarenia zo Slnka v podobe atómových jadier, elektrónov, protónov, neutrónov, pozitrónov atď, ktoré v magnetickom poli Zeme ionizuje alebo excituje atómy a molekuly atmosféry, čím sa vylučuje fotón(svetlo). 

Obrázok 11. Polárna žiara počas islandskej noci

Po latinsky poznáme Aurora borealis(severný pól) a Aurora australis(južný pól).  K polárnej žiare dochádza v okolí pólov Zeme, keďže magnetické pole je zbiehavé do týchto oblastí, kam aj vychyľuje častice. Vznik polárnej žiary teda priamo závisí od slnečnej aktivity. S rastúcim počtom a intenzitou slnečných erupcií počas jedenásťročného cyklu narastá aj početnosť svetelných javov vo vysokej atmosfére v regiónoch približne 10 až 20° od magnetických pólov Zeme. Po mohutnom výrone koronálnej hmoty na Slnku, počas silných geomagnetických búrok, môže byť žiara pozorovateľná aj v našej oblasti. Ľudia ju zároveň považujú za jeden z najkrajších prírodných úkazov.

Obrázok 12. Priebeh a predpoveď početnosti slnečných škvŕn od NASA na najbližšie roky

Atmosférická elektrina patrí medzi najmenej preskúmané zložky našej atmosféry, nakoľko javy s ňou spojené prebiehajú od najnižších hladín až po tie najvyššie. Výskyt javov, ktoré ju prezentujú vo viditeľnom spektre vzhľadom na plochu Zeme je pomerne vzácny. Výskum sa uskutočňuje ťažko. Javy ako elektrické výboje predstavujú nebezpečenstvo pre zdravie ľudí. Preto by sme mali pozorne sledovať vývoj počasia a predpovede búrkovej činnosti. Podrobnú predikciu búrok môžete nájsť aj na stránke meteorológov združenia SKYWARN http://www.skywarn.cz/ . Elektrické javy však prinášajú aj pozitívny estetický zážitok a sú dôležité pre život na našej planéte, aký ho poznáme.

Zdroj: Kvak R., 2012: Slnko a vzduch, Geofyzikálny ústav SAV, 33-37 s.