Štěstí přeje připraveným: První spektrum kulového blesku  
Být ve správný čas na správném místě, to se podařilo několika fyzikům v Číně. Při výzkumu bouřek se jim podařilo zaznamenat optické spektrum přírodního kulového blesku. Poprvé v historii - a hned dvěma kamerami.


 

Zvětšit obrázek
Setkání s kulovým bleskem v 19. století. (Kredit: Wikimedia Commons)

Říká se, že štěstí přeje připraveným. Výzkumníci z Northwest Normal University z Langzhou v Číně rozhodně připraveni byli.
Večer 23.července 2012 lovili spektra klasických blesků mezi mrakem a zemí na jejich "osvědčeném místě". Ve 21:54:59 pekingského času se však stalo něco, po čem toužila spousta fyziků nejméně jedno století. Před číhajícími přístroji se zjevil ukázkový přírodní kulový blesk. Výsledky prvního záznamu jeho spektra vyšly 17.ledna 2014 v článku autorů Jianyong Cen, Ping Yuan a Simin Xue v časopise Physical Review Letters. A vypadá to, že kulový blesk je skutečně veskrze pozemského původu – doslova.

 

Zvětšit obrázek
Vytvoření kulového blesku a výřezy z jednotlivých snímků z první desetiny sekundy záznamu jeho spektra. (Northwest Normal University, Lanzhou, Gansu, China, Cen et al., Phys.Rev.Letters, 2014)

Kulový blesk už dlouho dráždí vědce svou nepolapitelností. Objevuje se vzácně, nečekaně a trvá pár sekund. Ve svém životě ho viděl zhruba jeden člověk z tisíce. Ale i když jsou mezi nimi i vědci, nikdo s sebou netahá zapnuté přístroje 24 hodin denně po celý život. I když zvlášť dnes má u sebe fotoaparát nebo kameru kdekdo, záznam nějakým sofistikovanějším přístrojem, ze kterého by se dala vytáhnout data o složení kulového blesku, zatím pořízen nebyl.

 

Zvětšit obrázek
Detail spektra kulového blesku pořízeného vysokorychlostní kamerou. (Northwest Normal University, Lanzhou, Gansu, China, Cen et al., Phys.Rev.Letters, 2014)

Takový jev povzbuzuje fantazii. Hypotézy o původu kulového blesku sahají od superhustého vzdušného víru přes zmuchlané plazmoidy až po černé minidíry. Různé svítící chuchvalce byly v laboratoři připraveny mnoha způsoby, od soustředěných mikrovln po několik desetin sekundy trvající plazmové víry z výboje nad vodou.

 

V roce 2000 publikovali John Abrahamson a James Dinniss v časopise Nature hypotézu, že kulový blesk by mohl být živen oxidací silikátových částic vypařených ze země po úderu "obyčejného" blesku. V roce 2007 brazilský chemik Gerson Silva Paiva s kolegy publikovali pozorování několik sekund trvajících koulí vytvořených elektrickým obloukem na křemíkové elektrodě (od té doby to zkoušeli i jiní nadšenci).

Zvětšit obrázek
Úhel natočení kamery už ani dokonalejší být nemohl – akorát na samotný blesk i jeho spektrum. (poloha pozorovacího místa: 37.013473 °N, 101.620080 °E) (Kredit: Northwest Normal University, Lanzhou, Gansu, China, Cen et al., Phys.Rev.Letters, 2014)

A vypadá to, že právě tato hypotéza bude velmi blízko pravdě.
Na záznamu, který ze vzdálenosti 900 metrů pořídili Jianyong Cen s kolegy, je konec úderu obyčejného blesku mezi mrakem a zemí. Ten vytvořil svítící kouli o zdánlivém průměru 5 metrů (vliv kamery, reálná bude mnohem menší), která uletěla asi deset metrů a nastoupala do výšky tří metrů. Výzkumníci získali 1,64s videozáznamu z optického spektrometru připojeného k videokameře a dokonce i 0,78s (od 0,6s po vzniku kulového blesku) záznamu spektra vysokorychlostní (3000fps) černobílou kamerou s lepším rozlišením. Svítící koule byla necelou desetinu sekundy fialovobílá, pak mírně pohasla a přes oranžovou přešla na skoro sekundu do bílé a pak červenavě dohasla.


Narozdíl od spektra "mateřského" blesku, ve kterém září hlavně ionizovaný dusík, ve spektru kulového blesku zářily kromě neutrálního atomárního dusíku a kyslíku také atomární křemík, vápník a železo. Jsou to přesně ty prvky, které by měly dobře zářit při vypaření zeminy, do které blesk udeřil. Na záznamu z vysokorychlostní kamery jsou vidět i oscilace s frekvencí téměř přesně 100Hz – kulový blesk byl zjevně ovlivněn vysokonapěťovým 50Hz vedením vzdáleným od něj asi 20 metrů. Zajímavé je, že ve spektru oscilovaly prakticky jen čáry dusíku a kyslíku s vyšší excitační energií. Jako poslední dohasly spektrální čáry křemíku a železa.


Způsob záznamu spektra sice neumožnil určit přesně teplotu kulového blesku, ale určitě bude výrazně nižší než 15000-30000K v normálním blesku.
Jianyong Cen s kolegy měli stěstí vskutku dvojité. Blesk, který spustil ohnivou kouli, uhodil tak, že na obrazu z videokamery chybělo cca 20pixelů ke kraji, aby samotný kulový blesk nebyl vidět a záznam by byl neúplný.

 

Video na stránce Physics
Zpomalený videozáznam kulového blesku a jeho optického spektra. (Cen et al., APS.org) http://physics.aps.org/articles/v7/5
 
 
Video
Chlupaté ohníčky vytvořené pomocí křemíku a svářečky. Je tohle zatím nejlepší simulace kulového blesku?

 


Je kulový blesk definitvně zbaven tajemství? To ještě jistě ne, optické spektrum samo neříká všechno. A kdoví, jako jsme donedávna neměli tušení o stratosférických výbojích ("skřítcích"), kulových blesků stále může být více druhů. Nezbývá než doufat, že pozorování čínských fyziků nažhaví další výzkumníky a jejich pozorování nezůstane ojedinělé nadlouho.


Literatura:
Jianyong Cen, Ping Yuan, Simin Xue, Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning, Phys. Rev. Lett. 112, 035001 (2014)
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v112/i3/e035001
Northwest Normal University, Langzhou, China http://www.nwnu.edu.cn/  

Datum: 18.01.2014 11:19
Tisk článku


Diskuze:

divné

Jiří Borovička,2014-01-21 12:17:45

Nemám přístup k originálnímu článku, ale ta identifikace čar na obrázku je téměř jistě špatně.

Odpovědět


a jak by to mělo být?

Jaroslav Kousal,2014-01-21 15:55:33

Co přesně máte na mysli?

To spektrum má sice rozlišení dost špatné (což zvyšuje "kreativitu" při identifikaci čar, taky mi některé přišly odvážné), ale recenzí ve PhysRevLetters to prošlo (podáno v dubnu 2013, opraveno listopad 2013), samozřejmě vždycky záleží komu to pošlou.
Ta část mezi 500nm a 700nm sice vypadá trochu jako spektrum molekulárních pásů, ale na druhý řád dusíkových to nevypadá a jiné jsou už velká spekulace. Navíc autoři sami píšou, že spektra nemají kalibrované v intenzitě.
Určitě se na tenhle článek objeví dost reakcí a čekám, že někdo udělá buď (hrubou) simulaci spektra z plazmatu takového výboje nebo nějaký srovnávací experiment. Když jsem si pohrával s NIST databází a nechal počítat idealizovaná spektra podle Sahovy rovnice pro "rozumné" podmínky (teplota kolem 0.5eV a hustota dejme tomu 1e15cm-3), zas tak zcestné mi to srovnání nepřišlo.

Odpovědět


identifikace

Jiří Borovička,2014-01-22 09:20:21

Zjevně špatně jsou identifikace čar Fe I mezi 526 a 544 nm. Tyto čáry patří ke stejnému multipletu, ale tento multiplet obsahuje i řadu dalších čar. V daném rozlišení by se nejevil jako dvě dobře oddělené čáry, ale téměř jako jedna široká čára od 525 do 545 nm. Nezávisle na fyzikálních podmínkách buď musí být přítomné všechny čáry multipletu nebo žádná.

Na vysvětlenou, já se zabývám spektroskopií meteorů. Podezřelé jsou mi i všechny ty čáry Si I, které jsem v meteorech nikdy neviděl. Tady ale musím být opatrnější, protože složení a excitační podmínky mohou být v tomto případě zcela jiné. Třeba se k tomu někdy dostanu podrobněji. Moje podezření je, že některé čáry budou patřit atomárnímu dusíku. Mimochodem, srovnali autoři v článku spektrum normálního blesku s kulovým bleskem? Podle obrázku se zdá, že se zas tolik neliší.

Odpovědět


srovnání

Jaroslav Kousal,2014-01-22 15:39:58

S tím železem je to zajímavé, autoři sami tu identifikaci nepodávají příliš striktně, spektra s nízkým rozlišením se bez nějakých vstupních předpokladů identifikují špatně.

Se spektry plazmatu se také setkávám, ale za výrazně nižších teplot, jiného složení a obvykle i tlaků, takže jsem to příliš nestudoval. Možná otázka pro lidi, co dělají plazmatrony a "exploding wire", to by mohly být zhruba odpovídající podmínky (navíc u plazmatronů se dá výboje sypat skoro cokoliv).
Hlavní je, že je zveřejněno spektrum samotné a dá se s ním dál pracovat, autoři jsou si vědomi, že už samotný jeho záznam je významný.

Jinak srovnání s mateřským bleskem v původním článku je (i když jen z té barevné kamery s nižším rozlišením, ta rychlá ve chvíli úderu neběžela) a ta spektra jsou hodně odlišná, v blesku to byl (podle autorů) hlavně ionizovaný dusík. I na tom snímku je to vidět.

Odpovědět

Senzace

Vít Výmola,2014-01-20 12:21:54

Tohle je senzační zpráva! Gratulace Číňanům (bez ohledu na to, jak moc velká náhoda k pozorování vedla).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace