Stopování skřítků a dalších přízračných jevů

Je malý, ušatý, má dlouhé nohy či ruce, je rozcuchaný, chlupatý a zelený. I tak si dnešní děti představují skřítka. Rovněž my dospělí bychom si nejspíš vybavili bájnou bytost malého vzrůstu a podobně jako děti by nás nenapadlo, že existuje druh skřítků, kteří mohou být až 40 kilometrů vysocí a desítky kilometrů širocí.

Příběh o velkých skřítcích začala psát před necelými 30 lety (23. září 1989) trojice vědců v noční minnesotské prérii. Studenti Robert Franz a Robert Nemzek pod vedením profesora Johna Wincklera totiž poprvé a vlastně náhodou skřítky natočili, když namířili kameru určenou pro pozorování polárních září nad vzdálený rozsáhlý bouřkový systém, související s hurikánem Hugo (snímek s doplňující zprávou otiskl v srpnu 1990 časopis Science; originální článek zde). Objev objasnil původ podivných světel, která předtím na potemnělé obloze zahlédli piloti dopravních letadel.

Skřítci patří do velké rodiny tzv. nadoblačných blesků, což jsou optické jevy pozorované nad oblastmi se silnou bouřkovou aktivitou v širokém rozmezí výšek mezi vršky bouřkových oblaků a spodní hranicí ionosféry. Skřítci se samozřejmě nad bouřkami neobjevili až na konci minulého století, jen prostě unikali velmi dlouho naší pozornosti.

Ano, nevšimli jsme si jich, přestože jsou pozorovatelní pouhým okem nebo přesněji pouhým mžikem oka. Objeví se, zatančí si nad oblaky, a po několika tisícinách či setinách sekundy zase zmizí.

První barevná fotografie skřítka je ze 4. července 1994.Snímek University of Alaska, Fairbanks

Červený skřítek (red sprite) je nejběžnějším typem nadoblačného blesku. Je opravdu zbarven oranžovočerveně a má obvykle podobu postavičky s dlouhými rozcuchanými vlásky a dlouhými končetinami, nebo podobu mrkve s natí visící směrem dolů. Skupina skřítků pak může vypadat jako medúza s dlouhými rameny a chapadly. Takže by ti školáci popsali skřítka vlastně docela věrně, spletli by se jen v té zelené barvě.

Červená barva skřítka souvisí s přechody elektronů v molekulách dusíku, které jsou výbojem vybuzeny a vyzáří pak světlo příslušné vlnové délky. Skřítci se vyskytují nejčastěji ve výšce 50 až 90 kilometrů nad povrchem Země a objevují se obvykle několik tisícin sekundy po silném kladném bleskovém výboji vycházejícím z horní části bouřkového oblaku a mířícím směrem k zemi. Ve srovnání s jasně svítícím plně ionizovaným kanálem obyčejného blesku jsou vlásky či kořínky skřítků jen slabě ionizovány a svítí mnohem slaběji, takže se spíše podobají doutnavému výboji tak, jak ho známe třeba ze zářivky.

Občas to vypadá, jako by skřítek vylézal z disku rozptýleného světla, kterému se říká haló. Tento světelný disk vzniká působením silného elektrostatického pole vytvořeného ve výškách 70 až 80 kilometrů nad obyčejným bleskem. Disk má tloušťku několik kilometrů, průměr několik desítek kilometrů, a pohybuje se směrem dolů. Mechanismus vzniku haló ještě přesně vysvětlit neumíme.

Vývoj skřítka z 18. srpna 1999. (Zdroj: H. C. Stenbaek-Nielsen, Geophysical Institute, University of Alaska Fairbanks, USA)

Do skupiny nadoblačných blesků neboli přechodných světelných úkazů patří další zajímavé jevy. Fontána modrého světla (blue jet), která se velkou rychlostí šíří vzhůru z vršku oblaku do výšek až 40 kilometrů, se nazývá modrý výtrysk. Méně časté dvojbarevné modročervené obří výtrysky (gigantic jets) se objevují nad vrškem bouřkového oblaku a mohou dosahovat až výšek 90 kilometrů. Elfové jsou pokládány za nejrychlejší a největší přechodné světelné úkazy a pohádkovým bytostem se rozhodně nepodobají. Nejspíš proto, že jejich název není dán jejich podobou, ale zkratkou (Emissions of Light and Very low frequency perturbations from Electromagnetically pulsed Sources – ELVES). Objevují se ve výškách kolem 100 kilometrů a rychle se šíří jako zvětšující se kruh do vzdálenosti stovek kilometrů. Jejich zdrojem jsou elektromagnetické impulsy generované velmi silnými bleskovými výboji. Elektrony ve spodní části ionosféry se těmito impulsy ohřejí, rychleji se pohybují a sráží se s molekulami dusíku, které se vybudí a vyzáří expandující světelné kolo.

Různé druhy přechodných světelných úkazů.Snímek upraven podle M. Sato, JAXA

Výzkum barevných nadoblačných blesků přitahuje amatérské i profesionální vědce již od prvních zveřejněných výsledků v devadesátých letech minulého století. Nyní se na jejich výzkum chystá i družice TARANIS (Tool for the Analysis of Radiation from lightNIng and Sprites). Jejím hlavním posláním bude důkladné studium právě těchto atmosférických výbojů mezi troposférou a ionosférou, zejména tzv. skřítků.

S bouřkami pravděpodobně souvisí i další nedávno objevený jev, který bude sonda zkoumat: pozemní záblesky gama. Ty nejsou dosud uspokojivě vysvětleny a souvisí s urychlováním elektronů na vysoké energie. TARANIS tedy bude měřit rádiové vlny s širokým rozsahem kmitočtů, současně bude detekovat infračervené, optické, ultrafialové a rentgenové záření a energetické elektrony. Sonda bude další ze série mikrodružic Myriade, financovaných francouzskou kosmickou agenturou CNES. Vypuštění na nízkou polární dráhu ve výšce 700 kilometrů je plánováno na polovinu roku 2018.

Sonda TARANIS na oběžné dráze, umělcova představa.Snímek D. Ducros, CNES

Přístroj IME-HF (Instrument de Mesure du champ Electrique – Haute Fréquence) bude v rámci vědecké aparatury sondy TARANIS zaměřen na širokopásmové měření elektromagnetických vln o kmitočtech od několika kHz až do 37 MHz. Skládá se ze dvou částí: výklopných elektrických antén s předzesilovači, které jsou vyvíjeny v laboratoři LPC2E (Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace) v Orléans ve Francii a z elektronického analyzátoru pro řízení měření a zpracování dat, který od počátku prací na projektu v roce 2006 vyvíjí Ústav fyziky atmosféry Akademie věd. Tento analyzátor má za úkol velmi rychle digitálně zpracovat analogové signály z předzesilovačů (digitalizace probíhá na vzorkovacím kmitočtu 80 MHz), přijímat povely pro různé režimy práce přístroje, detekovat měřené události a spouštět rychlé měření všech ostatních vědeckých přístrojů, sestavovat výsledný datový tok a komunikovat s telemetrickým systémem družice.

Analyzátor IME-HF během vibračních testů v Toulouse.Zdroj CNES, Ústav fyziky atmosféry Akademie věd

„Naše účast v projektu nám přinesla především možnost přispět k rozluštění tajemství procesů spojených se vznikem skřítků a dalších přízračných jevů,“ říká vědecký vedoucí analyzátoru IME-HF prof. Ondřej Santolík z Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd. „Nyní máme spoustu starostí s dokončením stavby našeho přístroje a s jeho testy, ale už se těšíme na první data, která začneme zpracovávat krátce po vypuštění TARANIS na oběžnou dráhu. Příprava vědeckých přístrojů i analýzy dat sondy TARANIS probíhá v mezinárodní spolupráci, bez které se současný kosmický výzkum neobejde,“ dodává.

Tým Ústavu fyziky atmosféry úzce spolupracuje s týmem Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Ten pod vedením doc. Lubomíra Přecha pro sondu TARANIS připravuje elektronický modul pro spektrometr IDEE. V rámci projektu vědci instalovali prototypy analyzátoru IME-HF na Plateau d’Albion v jižní Francii a na severní cíp ostrova Korsika. Tato pozemní měření slouží jednak k testování družicového přístroje pomocí signálů produkovaných přírodními bleskovými výboji, jednak k výzkumu málo prozkoumaných procesů odehrávajících se uvnitř bouřkového oblaku. Projekt již přinesl zajímavé výsledky týkající se prvotních fází bleskového výboje. Po startu družice TARANIS budou odborníci tato měření používat pro porovnání s daty, získanými sondou na oběžné dráze.