Blesk - napětí, proud, elektrický náboj a typy blesků, jaká je energie, rychlost a teplota ve výbojovém kanálu blesku

Blesk, blesky: typy, napětí a elektrické proudy blesků, jaké jsou elektrický náboj?

Co je to blesk? Jak blesk vzniká? Jaké má blesk vlastnosti, elektrické napětí či proud? Blesk je obyčejný elektrický výboj mezi dvěma centry elektrického náboje s rozdílnými polaritami. Blesk (elektrický výboj) může vzniknout mezi centry kladných a elektrických nábojů v jednotlivém mraku, mezi jednotlivými mraky (tady mohou blesky dosáhnout extrémní délky až 50 km), mezi mrakem a povrchem země či vzácně mezi mrakem a stratosférou.

Příčiny vzniku blesku

Předpokládá se, že vznik a distribuce elektrického náboje v mracích (obvykle oblaka druhu cumulonimbus) je přímo svázán s přítomností ledových krystalků a přechlazené vody současně. Vertikální gradient elektrického pole v cumulonimbu dosahuje hodnot desítek tisíc V/m (voltů na metr), u tropických bouřek až řádově sto tisíc V/m. Tento gradient mnohonásobně převyšuje obvyklý gradient elektrického pole klidné atmosféry.

Nejčastějším typem blesku (atmosférického elektrického výboje) je blesk mezi oblaky a nebo mezi centry rozdílných polarit v jednom oblaku. Poměr mezi počtem výbojů mezi oblaky a počtem výbojů mezi oblakem a zemí je v našich končinách 5:1 až 2:1, v tropických oblastech dokonce 10:1.

Elektrické vlastnosti blesků

Blesk je charakterizován především elektrickými parametry. Jsou to elektrický náboj blesku (desítky až tisíce C), amplituda rázové složky blesku (obvykle 10² až 3×10⁵ A u blesků CG+), strmost čela rázové složky blesku (10³ až 10⁹ A/s), doba trvání výboje (od 10^-4 do 2 s), elektrické napětí (až 100 mil. V, tedy 10⁸ V) aj.

Vůdčí a vstřícný výboj bouřky

Blesk vždy začíná tzv. vůdčím výbojem, který je okem neviditelný a postupuje k zemskému povrchu rychlostí asi 200 km/s. Vůdčí výboj blesku (leader) je jen slabě svítící předvýboj blesku. Jeho dráha je určena max. gradientem elektrického pole a elektrickou vodivostí vzduchu.

Vůdčí výboj blesku může být stupňovitý nebo trvalý. Stupňovitý (krokový) vůdčí výboj se dělí na typ alfa a beta. Typ alfa má délku jednotlivých stupňů 50 m (v průměru, max. 200 m) s pauzami mezi jednotlivými stupni (kroky) 0,03 - 0,1 ms. Typ beta má zpočátku vyšší efektivní rychlost, která se však v závěru snižuje a někdy takovýto výboj vůbec nedosáhne země.

Když se vůdčí výboj dostatečně přiblíží k zemskému povrchu začne proti němu stoupat tzv. vstřícný výboj. Proti jednotlivému vůdčímu náboji může vzniknout více vstřícných elektrických výbojů. Blesk pak zasáhne to místo na zemském povrchu, jehož vstřícný výboj se nejdříve spojí s vůdčím výbojem.

Zpětný výboj blesku

Při spojení vůdčího a vstřícného výboje dojde ke "zkratu" - vytvoření kanálu blesku. V kanálu blesku pak dojde ke zpětnému elektrickému výboji, který je již dobře viditelný a šíří se asi 100× vyšší rychlostí než původní vůdčí výboj. Zpětný výboj je tak jen dílčím stádiem hlavního výboje blesku. Udávané elektrické parametry blesku jsou parametry tohoto dílčího stádia blesku.

Kanál blesku, světelné a akustické jevy při bouřce

Hlavní výboj blesku prochází tzv. kanálem blesku. Jde o ostře ohraničený kanál o průměru asi 1 až 20 cm, v němž vysoce ohřátý a ionizovaný vzduch (plazma) dosahuje teploty 20 000 °C až 30 000 °C a tlaku řádově 10 MPa (stokrát vyšší než normální atmosférický tlak). Rychlost blesku (elektrického výboje) je závislá na velikosti neutralizovaného elektrického náboje a v průměru činí 20 000 až 150 000 km/s.

Akustické jevy (hromobití) doprovázející každou bouřku (blesk) jsou způsobeny rychlým rozpínáním silně ohřátého plynu z bleskového kanálu. Hřmění není tedy ničím jiným než tlakovou vlnou způsobující akustický třesk. Blesk a hrom nastávají vždy současně, avšak díky rozdílné rychlosti šíření světla (přibližně 3 × 10⁸ m/s) a zvuku (340 m/s) registruje vzdálený pozorovatel oba jevy odděleně (hřmění vždy s časovým zpožděním).

Blesky jsou také zdrojem elektromagnetického vlnění s kmitočty od 100 MHz až po 2 GHz, vedle toho však mají i světelné, tepelné a chemické účinky a z toho vyplývající a doprovodné akustické či mechanické jevy. Za dobré viditelnosti lze blesky sledovat až do vzdálenosti 150 km. Při těchto vzdálených bouřkách nemůžeme pozorovat akustické jevy, takže bleskům z takto vzdálených bouřek se říká blýskavice.

Dělení blesků podle tvaru

Podle charakteru a tvaru elektrického výboje rozlišujeme blesk čárový, kulový blesk, perlový blesk, blesk plošný, blesk rozvětvený a výjimečně blesk stuhový.

Čárové blesky

Čárový blesk představuje dlouhý elektrický výboj bez postranních větví jako je tomu např. u rozvětveného blesku. Čárový blesk se nejčastěji vyskytuje mezi mrakem a zemským povrchem. Viditelná část kanálu blesku není rozvětvena. Čárový blesk bývá ale značně klikatý, neboť elektrický výboj si vybírá cestu nejmenšího elektrického odporu (dráhu s nejlepší elektrickou vodivostí).

Perlové (čočkové) a ploché blesky

Perlový (zvaný rovněž čočkový) blesk se vyskytuje jen vzácně. Jedná se o typ blesku s pravidelně přerušovaným výbojovým kanálem. Takovýto blesk, jenž se zpravidla objevuje za silného deště, má poměrně dlouhé trvání. Plošné blesky pozorujeme u vzdálených bouřek (blýskavic). Jedná se obvykle o bleskem nasvícená oblaka, přičemž samotný výbojový kanál nemusí být vůbec patrný.

Rozvětvené blesky

Rozvětvené blesky se obvykle vyskytují mezi mrakem a povrchem země. Viditelná část elektrických výbojových kanálů se větví, přičemž intenzita větví vzdálených od hlavního výbojového kanálu rapidně klesá. Ramena větví obvykle směřují k mrakům, hlavní výbojový kanál k povrchu země. Jen asi v 5 % případů dosáhne zemského povrchu i některá z větví rozvětveného blesku.

Stuhové blesky

Stuhové blesky mají mnohem větší šířku výbojového kanálu než je tomu u čárového blesku. Mechanismus vzniku není přesně znám, může se jednat o posun svítícího kanálu ionizovaného vzduchu působením silného větru a nebo o superpozici dvou či více rychle po sobě jdoucích (opakovaných) elektrických výbojů.

Blesky podle polarity

Negativní blesky

Negativní blesky představují 95 % všech bouřkových výbojů. Během tohoto výboje se neutralizuje negativní elektrický náboj oblaku (centrum záporného elektrického náboje se nachází obvykle při základně mraku v oblasti nad nulovou izotermou). Průměrný negativní blesk dosahuje napětí 100 MV a proudu 30 kA.

Pozitivní blesky

Pozitivní blesky představují méně než 5 % všech blesků registrovaných při bouřkách na Zemi. Pozitivní blesk vzniká při vybití pozitivního náboje oblaku, který se obvykle nachází horní části mraku v oblasti kolem izotermy -20 °C.

Pozitivní blesky jsou mnohem nebezpečnější než blesky negativní, neboť mají nejen větší energii (obvykle 6 - 10×) než negativní blesky, trvají až 10× déle ale mohou také udeřit až na 10× větší vzdálenosti. Klidně i 20 km před bouřkou. To je způsobeno tím, že horní základna cumulonimbu (centrum pozitivního elektrického náboje) je značně protažena v horizontálním směru. Pozitivní blesk dosahuje napětí až miliardy voltů (1 GV) a výbojovým kanálem protéká elektrický proud až 300 kA.

Blesky patří k nejnebezpečnějším meteorologickým jevům. Zejména při horských túrách a pobytu v přírodě mohou blesky (bouřky) představovat přímé ohrožení života. Tomuto tématu se ale věnuji v samostatném článku.

Použité zdroje

[1] Meteorologický slovník výkladový a terminologický, Bednář J. a kol., Academia 1993
[2] Blesk - nebeské kladivo
[3] Výboje typu CG a jejich interakce s povrchem Země

Líbil se vám tento článek?

Podpořte tento web, třeba peněžitým darem, který bude využit k dalšímu technickému rozvoji stránek. Učinit tak můžete bankovním převodem na účet

2502526845 / 2010

Podpořit nás můžete i dalšími způsoby, třeba objednávku některé z knih, turistických průvodců. K rychlému provedení platby můžete využít i přiložený QR kód obsahující údaje k platbě v přednastavené částce 80 Kč. Výši částky si nakonec ale určete sami.