Jak předpovědět blesk? Pomoci by mohl i model elektrizace oblačnosti

Bezmála tři století víme, že blesk je elektrický výboj. Stále ale není jasné, jak přesně vzniká, a není možné jej předpovědět. Přispět k vyřešení bouřkové hádanky by mohl model elektrizace oblačnosti, na jehož vývoji pracuje Jana Popová z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. O výzkumu loňské nositelky Prémie Otto Wichterleho jsme psali v časopise A / Magazín.

Vypadal jako běžná dětská hračka, drak, kterého děti pouštějí do vzduchu, když na podzim hodně fouká. Na vrcholku konstrukce ale měl připevněný asi třicet centimetrů dlouhý drát s hrotem napojený na konopný provaz a rukojeť s hedvábným lankem – na něm byl přivázaný kovový klíč. Experimentální drak, který do bouřkového oblaku vypustil 10. června 1752 Benjamin Franklin, zafungoval.

Skutečně k sobě přilákal bleskový výboj, sjel po mokrém provázku a zamířil do nachystané leidenské láhve, jež v 18. století sloužila jako nástroj pro experimenty s elektřinou. Přestože Benjamin Franklin pocítil při kontaktu s provázkem jiskření, nebezpečný pokus ve zdraví přežil a dnes je považován za jednoho z prvních vynálezců bleskosvodu (dalším je mimochodem český katolický kněz a přírodovědec Prokop Diviš, který se bleskům věnoval zhruba ve stejnou dobu).

Byl to právě Franklinův pokus s drakem, který se v historii fyziky zmiňuje jako milník v poznání elektrické podstaty blesku. Podle dnešních poznatků je blesk komplexem elektrostatických výbojů, jenž vzniká mezi centry kladných a záporných elektrických nábojů v oblacích nebo mezi oblakem a zemským povrchem. Skládá se z několika elektrostatických výbojů těsně za sebou, v průměru bývají tři až čtyři, ale mohou se vyskytnout i blesky s desítkami výbojů (vícenásobné blesky).

Vědec, politik a jeden ze zakladatelů USA Benjamin Franklin vypustil v červnu 1752 pokusného draka do bouřkového oblaku.

Rodné místo blesků
Většinou vznikají v bouřkovém oblaku, který se nazývá cumulonimbus. Známe ho z letní oblohy – jedná se o typický velmi vysoký huňatý oblak, který se roztahuje do velkých výšek. V našich zeměpisných šířkách roste zpravidla do 5 až 12 tisíc metrů, výjimečně až do 15 kilometrů. Pro vznik elektrického výboje je důležité, aby oblak obsahoval různé částice, takzvané hydrometeory, kterými jsou vodní kapky, krupky, ledové krystalky a další, a také přechlazenou vodu. Těžší částice propadávají do nižších hladin oblačnosti a narážejí přitom do lehčích, nesených vzduchem. Tím si vyměňují náboj. Následně se v takovém oblaku vytvářejí centra opačné polarity – obecně se dá říct, že v jeho dolní části se nachází centrum záporného náboje, v horní části naopak centrum kladného.   

Nicméně ve skutečnosti je rozložení center komplikovanější a přesný proces elektrizace oblaku dosud není zcela vědecky objasněný. „Víme, že ke vzniku blesku je zapotřebí separace náboje a dostatečně silné elektrické pole. Pro lepší pochopení celého procesu jsme vyvinuli model elektrizace oblačnosti,“ uvádí Jana Popová z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR.

Cílem výzkumu vědecké skupiny, jíž je Jana Popová součástí, je přispět k přesnějším předpovědím počasí. Dnešní metody poznání umožňují meteorologům zjistit, kdy a zhruba kde budou panovat podmínky pro vznik konvektivních bouří, potažmo bouřek. V reálném čase pak dokážou podle směru větru a dalších aspektů určit, kudy se bouřková oblačnost bude posouvat. Jestli ale bouřlivé počasí vyprodukuje blesky, kolik jich bude a kde uhodí, to se konstatovat nedá.

Jana Popová působí v oddělení meteorologie Ústavu fyziky atmosféry AV ČR.

Od klimatologie k fyzice atmosféry
Bouřky ji fascinovaly od malička. Ostatně stejně jako i jiné přírodní jevy – zejména sopky. Původně dokonce přemýšlela, že by se věnovala právě jim. Cesty osudu ji ale zavedly k jinému živlu, i když neméně nebezpečnému. Ani k bleskům se ale nedostala úplně přímo. Když se Jana Popová, tehdy ještě Minářová, na gymnáziu rozhodovala, kam dál, zvolila si studium geografie se specializací na klimatologii. Zaujala ji problematika silných srážek a právě tu si vybrala jako téma pro následné doktorské studium.

Jelikož z dvojjazyčného česko-francouzského gymnázia uměla výborně francouzsky, rozhodla se pro doktorát „pod dvojím vedením“ (francouzsky co-tutelle). Školitele tak měla jak českého, na Univerzitě Karlově v Praze, tak francouzského – na Univerzitě ve Štrasburku. Ve Francii a později také v Německu absolvovala několik stáží, všechny zaměřené na klimatologii s orientací na výzkum extrémních srážek.

Přímo k bouřkám a konkrétně bleskům se Jana Popová dostala až na konci doktorského studia, kdy dostala nabídku na práci v oddělení meteorologie Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Jak dnes vzpomíná, posunu v oboru určitě nelituje. Výzkum bleskových výbojů jí nabízí velké množství výzev a pořád je v něm co objevovat. Předchozí studium klimatologie a vědomosti získané v cizině jí navíc poskytují široký rozhled a potřebný nadhled.

„Zkušenosti ze zahraničí jsou k nezaplacení. Musela jsem si poradit s nečekanými situacemi a poznala jsem úplně jiný přístup ke studiu i vědecké práci,“ říká Jana Popová, která v červnu 2023 převzala prestižní Prémii Otto Wichterleho, již Akademie věd ČR uděluje mladým perspektivním vědkyním a vědcům. 

Bouřky na Hromové hoře
Výzkumná práce Jany Popové se větví dvěma základními směry. Prvním je shromažďování a analýza dat z měřicích přístrojů na meteorologické observatoři Milešovka na stejnojmenné hoře. Druhým směrem je vývoj a zdokonalování počítačového modelu elektrizace oblačnosti, který dokáže simulovat vznik a chování blesků.

Milešovka je dominantou Českého středohoří. Díky unikátní poloze je skvělým místem pro pozorování počasí.

Nepřehlédnutelné dominantě Českého středohoří Milešovce se před více než sto lety, kdy na vrcholu vznikla meteorologická observatoř, běžně říkalo Donnersberg neboli Hromová hora. Vítr tam prý nefouká jen asi osm dní v roce, nádherný výhled do okolí často zahaluje mlha a kopec jako osamělá dominanta vysloveně přitahuje blesky. K výzkumu bouřek ideální podmínky.

„Zajímáme se o bouřky, které se vyskytují přímo na Milešovce i v jejím okolí. Sledujeme je prostřednictvím dvou radarů, jeden nám podává detailní informaci o oblaku přímo nad radarem, druhý poskytuje prostorová data v okolí,“ popisuje Jana Popová. Radar METEK vypadá jako bílá kovová bedna zhruba velikosti ledničky s vertikálně zaměřenou nepohyblivou anténou. Říká se mu také oblačný profiler, protože měří oblačnost v úzkém vertikálním profilu (a to až do výšky 14 km) – výsledkem jeho měření je časový průřez oblakem nad Milešovkou, respektive nad radarem.

„Oblačný profiler je velmi citlivý na částečky obsažené v oblaku. Proměří, jestli se v oblaku nacházejí kroupy, krupky, ledové krystalky, sníh anebo déšť a jak jsou rozvrstvené. Pro nás je to důležité z toho pohledu, že právě některé tyto částečky, zejména ledové krystalky a krupky, jsou klíčové pro vznik blesku,“ vysvětluje Jana Popová. Takový obrázek složení oblaku nad Milešovkou ale neposkytuje prostorový přehled o bouřce. „Proto jsme před pár lety pořídili druhý radar, který disponuje pohyblivou anténou a umí proměřovat atmosféru v různých elevačních úhlech,“ dodává.

Jedná se o srážkový radar FURUNO instalovaný v listopadu 2020 na vrcholu vyhlídkové věže na Milešovce ve výšce 860 metrů. Současné nastavení radaru má dosah 30 km. Kombinací informací z obou radarů, z nichž každý zpracovává jiné charakteristiky oblačnosti, se vědci například snaží objasnit, v čem se liší bouře doprovázené blesky od bouří, které přinášejí pouze srážky. Srovnávají také, v čem jsou jiné bouřky přímo na Milešovce od těch, které zuří několik kilometrů od kopce.

Na dřevěném podstavci stojí oblačný profiler METEK Mira 35c, který měří oblačnost v úzkém profilu nad radarem. Výsledkem je časový průřez oblakem nad Milešovkou. Druhým důležitým přístrojem pro výzkum Jany Popové je srážkový radar FURUNO, který je možné zahlédnout nahoře na věži.

Jak se modeluje blesk
Druhou větví výzkumné práce Jany Popové je spolupráce na vývoji už zmiňovaného modelu elektrizace oblačnosti, jehož hlavním autorem je numerický matematik Zbyněk Sokol. Jde o specializovaný software, který umožňuje explicitně popsat proces elektrizace v simulovaném („ideálním“) bouřkovém oblaku. Program vznikl už před pár lety a postupně se upravuje, zpřesňuje a vylepšuje, aby dokázal simulovat také reálné bouře.

Důležitým krokem v jeho vývoji bylo navázání spolupráce s tchajwanským odborníkem v oblasti oblačné mikrofyziky Pao-Kuan Wangem z Academia Sinica. Ten je autorem komplexního modelu oblačnosti, který dokáže modelovat oblak až do vyšších vrstev na pomezí troposféry se stratosférou. Díky němu je možné sledovat, co se děje v oblaku při bouřích, jaká se objevují proudění a turbulence a podobně.

Český submodel elektrizace oblačnosti se do něj podařilo inkorporovat. „Nazývá se CEMW – od anglického Cloud Electrification Model, dvojité vé na konci pak odkazuje k profesoru Wangovi. Model umí simulovat bleskové výboje v ideální bouři,“ přibližuje Jana Popová. Zajímavou výzvou jsou přitom netradiční blesky, třeba ty, které se nečekaně objevují v bouřích v zimním období.

Zimní blesky a další lahůdky
Nejvhodnější podmínky pro vznik bouřek u nás panují v létě, zejména v červnu a červenci. Tehdy je vzduch u zemského povrchu nejteplejší a obsahuje nejvíce vlhkosti. V zimě bouřky, respektive blesky vznikají jinak a svou roli přitom hraje dynamika proudění vzduchu. Některé děje v atmosféře mohou vést k situacím, kdy je vzduch, který se drží při zemi, prudce vytlačován do výšky. To se stává například u studených front, které mají podobu čela studeného vzduchu, jenž se podsouvá směrem pod původní, teplejší vzduch a prudce jej zvedá do výšky. Zároveň ve výšce existují další mechanismy, které vzduch z nižších vrstev nasávají do vyšších.

Kombinace těchto i dalších vlivů pak může vést k tomu, že i přes absenci horkého a dusného vzduchu, jaký známe z léta, přijde bouřka s blesky třeba v lednu nebo únoru. Dochází k tomu sice zřídka, ale prakticky každý rok se u nás nějaká zimní bouřka vyskytne. V populárně-naučné meteorologické literatuře se dočteme například o bouřce z 3. ledna 2018. V odpoledních hodinách tehdy přes naše území přecházela studená fronta spojená s tlakovou níží nad Severním mořem. Už od ranních hodin, kdy se fronta nacházela ještě nad Belgií a Nizozemskem, její postup doprovázely bouřky. Nezvykle aktivní pak byly nad Německem – síť detektorů tam tehdy zaznamenala téměř 11 tisíc výbojů blesku!

Milešovka se dříve nazývala Donnersberg, česky Hromová hora.

Zimní bouřka se prokazatelně na našem území vyskytla také 4. února 2022. K velké radosti Jany Popové jeden z blesků uhodil přímo do observatoře na Milešovce a poskytl jí tak unikátní data k výzkumu. „Zimní bouře se chovají velmi odlišně od letních. V létě může dosahovat bouřkový oblak cumulonimbus i patnácti kilometrů, zatímco při této zimní bouřce jsme mu naměřili jen přibližně tři kilometry,“ zmiňuje.

Namodelovat takový pro badatele ne zrovna ideální blesk v programu CEMW se zdálo zpočátku nemožné. Oblak není tak vysoký, jak by měl být, a nábojová struktura nemusí dosahovat potřebných intenzit. Nakonec se to vědcům podařilo, i když trochu oklikou (museli v systému namodelovat zvláštní horkou bublinu vzduchu, aby vybudili výstupné pohyby, což se děje při letních bouřích). Případovou studii analýzy zimního blesku sepsali do formy odborného článku, který na začátku září 2023 vyšel v Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.

Nebezpečná oblačná elektřina
Poznatky o tomto netradičním blesku doplní řadu dalších dílčích zjištění, na nichž pracují odborníci na výzkum bouřek po celém světě. Ve svém důsledku se snad i díky aktuální práci Jany Popové a jejích kolegů podaří postupně vylepšovat operativní modely předpovědi počasí.

Jakmile to umožní dokonalejší výpočetní technika, budou tak meteorologové v budoucnosti schopni vydávat mnohem přesnější varování před blesky. I když na podobně převratná zjištění, která učinili před třemi stovkami let Benjamin Franklin a Prokop Diviš, si ještě lidstvo bude muset pravděpodobně chvíli počkat.

Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (26.4.2024)