Univerzita Komenského, Bratislava

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky

Atmosférické výboje-blesky a sprajty

(Bakalárska práca)

Bratislava, 2012 Zuzana Margo£ová

1160 fyzika

Fyzika

Fakulta matematiky fyziky a informatiky

Univerzita Komenského, Bratislava

Atmosférické výboje-blesky a sprajty

(Bakalárska práca)

Zuzana Margo£ová

Vedúci práce: doc. RNDr. Sebastián ev£ík, CSc. Bratislava, 2012

estne prehlasujem, ºe som túto prácu napísala sama, iba s

vlastnými vedomos?ami a pomocou citovanej literatúry, pod

doh©adom vedúceho práce.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Zuzana Margo£ová

iii

Chcela by som sa po¤akova? svojmu vedúcemu práce doc. RNDr. Sebastiánovi ev£í-

kovi, CSc. za ve©ké mnoºstvo £asu, ktoré mi venoval, za pripomienky a odbornú pomoc

pri vypracovaní práce. Po¤akovanie patrí tieº mojej rodine, spoluºiakom a kamarátom za

podporu po£as calého písania tejto práce.

iv

Abstrakt

Autor: Margo£ová Zuzana

Názov práce: Atmosférické výboje blesky a sprajty

kola: Univerzita Komenského v Bratislave

Fakulta: Fakulta matematiky, fyziky a informatiky

Katedra: Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie

Vedúci práce: doc. RNDr. Sebastián ev£ík, CSc.

Miesto: Bratislava

Dátum: 28. 5. 2012

Po£et strán: 68

Druh závere£nej práce: Bakalárska práca

Táto práca sa venuje charakterizovaniu atmosférických výbojov, sprajtov a vysvetleniu

javu Schumannových rezonancií. Zaoberá sa analýzou a ²tatistickým spracovaním tran-

zientov (Q-burstov) v kaºdom dni po£as mesiacov marec, apríl, máj 2007 pomocou prog-

ramu Q-burstFinder. Cie©om práce je porovna? denné variácie po£tu Q-burstov v danom

mesiaci a zhodnoti? spo©ahlivos? programu Q-burstFinder.

KÚOVÉ SLOVÁ: atmosférické výboje, Schumannove rezonancie, sprajty, tranzienty,

Q-bursty, globálna búrková aktivita

v

Abstract

Author: Zuzana Margo£ová

Title: Atmospherics discharges lightnings and sprites

University: Comenius University in Bratislava

Faculty: Faculty of Mathematics, Physics and Informatics

Department: Department of Astronomy, Physics of the Earth and Meteorology

Advisor: RNDr. doc. RNDr. Sebastián ev£ík, CSc.

City: Bratislava

Date: 28. 5. 2012

Number of pages: 68

Type of thesis: Bachelor thesis

This Bachelor thesis deals with the characterization of the atmospheric discharges and

sprites, explains the Schumann resonances phenomenon. Further the transients (Q-bursts)

are analyzed at each day during the months of march, april, may 2007 using program

Q-burstFinder. The aim of this thesis is to compare daily variation of quantity of the

Q-bursts in particular month and to review the reliability of the program Q-burstFinder.

KEYWORDS: atmospheric discharges, Schumann resonances, sprites, transients,

Q-burts, global thunderstorm activity

vi

vii

viii

Obsah

Úvod 1

1 Ciele bakalárskej práce 3

2 Atmosférické výboje 5

2.1 Typy bleskových výbojov a základná terminológia . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Globálny atmosférický elektrický obvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Mechanizmy vzniku a distribúcie náboja v oblaku . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Záporný atmosférický výboj od oblaku k zemi . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 Kladný atmosférický výboj od oblaku k zemi . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Schumannove rezonancie 25

3.1 Základné charakteristiky Schumannových rezonancií . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Meranie vertikálnej elektrickej zloºky SchR na AGO . . . . . . . . . . . . . 35

4 Sprajty (sprites) 39

5 Analýza tranzientov (Q-burstov) na AGO a jej výsledky 45

5.1 ELF tranzienty (Q-bursty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.2 Programový balík Q-burstFinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.3 Výber analyzovaného obdobia (marec-máj 2007) a lokálne meteorologické

podmienky na AGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.4 Analýza prí£in anomálneho po£tu tranzientov v danej sekvencii merania . . 57

ix

5.5 Denné variácie po£tu tranzientov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.6 Analýza výsledkov (Q-burstFinder) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Záver 65

Literatúra 67

x

Zoznam obrázkov

2.1 4 typy CG bleskov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Módy transferu náboja do zeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 asový priebeh a priestorová distribúcia prúdu . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Búrkové oblaky a prúdy za FW podmienok. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Jednoduchý tripólový model distribúcie náboja v búrkovom oblaku . . . . 15

2.6 Konvektívny mechanizmus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.7 Krúpovo-©adový mechanizmus (Graupel-ice). . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.8 Procesy po skon£ení spätného úderu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Aktivita výbojov za obdobie apríl 1995 aº február 2003. . . . . . . . . . . 28

3.2 Priestorové rozloºenie elektrických a magnetických polí . . . . . . . . . . . 30

3.3 asový priebeh signálov zloºky SchR na dvoch blízkych observatóriách:

AGO a NCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4 Spektrum SchR vzniknuté pouºitím metódy tovania píkov Lorentzovými

funkciami. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5 Anténa pre príjem elektrickej zloºky po©a SchR na Astronomickom a geofy-

zikálnom observatóriu FMFI UK (AGO) v Modre. . . . . . . . . . . . . . 35

3.6 3 meracie sekvencie, posledná je z £asti naru²ená saturáciou. . . . . . . . . 36

3.7 3 meracie sekvencie, posledná zobrazuje saturáciu celého záznamu. . . . . . 38

4.1 Tri formy javov TLE: sprajty, elves, blue jets. . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Ukáºky sprajtov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

xi

4.3 Ukáºky sprajtov zaznamenaných automatickým celooblohovým TV systé-

mom nain²talovaným na AGO FMFI UK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.1 Proces ²írenia vlny od zdroja-blesku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Schématický diagram sekvencie troch elektrických pulzov prichádzajúcich

od blesku k anténe okolo celej Zeme, (Ogawa, Komatsu, 2009). . . . . . . 47

5.3 tyri typy Q-burstov zobrazené na ekvidi²tantnej mape, mapa platí pre

observatórium v Kochi, Japonsko (Ogawa, Komatsu, 2009). . . . . . . . . 48

5.4 Vybrané 1-sekundové ukáºky s tranzientmi od silných −CG bleskov. . . . 52

5.5 Vybrané 1-sekundové ukáºky s tranzientmi od silných +CG bleskov. . . . 53

5.6 Po£etnos´ bleskov po£as marca, apríla, mája a celkovo po£as jari 2007 za-

znamenaná na zariadení LIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.7 Záznam z d¬a 18.5. 2007, 23:06, a jeho vybrané £asti. . . . . . . . . . . . . 58

5.8 Neupravený záznam z d¬a 18.5. 2007 a následne záznam s odstránenou

anomáliou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.9 Denné varácie po£tu tranzientov zobrazené osobitne pre mesiace marec,

apríl, máj 2007. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.10 Denné variácie po£tu tranzientov pre mesiace marec, apríl, máj 2007 zobra-

zené v jednom grafe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

xii

Zoznam tabuliek

2.1 Charakteristika -CG bleskov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.1 Ve©kos´ rýchlosti vetra v marci, apríli a máji 2007 namerané v 7., 14. a 21.

hod. na AGO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

xiii

Zoznam odborných termínov a pouºitých skratiek (anglická a slo-

venská mutácia)

FW fair weather, stav atmosféry (troposféry) v prípade dobrého po£asia bez búr-

kových oblakov

-CG negative cloud-to-ground lightning, blesk typu -CG, záporný blesk od oblaku

k zemi

+CG positive cloud-to-ground lightning, blesk typu +CG, kladný blesk od oblaku

k zemi

RS return stroke, spätný úder, hlavná etapa výboja vedúca k neutralizácii plaz-

matického kanála, ktorý vytvoril líder

leader líder, za£iato£ná etapa blesku, vytvorenie elektricky nabitého plazmatického

kanála, po ktorom nasleduje RS

SL stepped-leader, krokový líder, líder, ktorý vytvára plazmatický kanál nespojite,

po £astiach

DL dart-leader, ²ípový líder, líder, ktorý obnoví plazmatický kanál spojite, bez

krokov

SchR Schumann resonances, Schumanove rezonancie, elektromagnetické oscilácie

v dutine zem-ionosféra generované globálnou búrkovou aktivitou

TLE trasient luminous events, svetelné javy vznikajúce nad búrkovými oblakmi

v mezosfére aº po ionosféru v dôsledku obzvlá²´ silných bleskov

sprite sprajt, jeden z naj£astej²ie sa vyskytujúcich TLE-javov

transient tranzient, rozpoznate©ná prechodná/do£asná £as´ v £asovom zázname odli²u-

júca sa od beºnej £asti záznamu

Q-burst (quiet burst), tranzient s výrazne v䣲ou amplitúdou oproti SchR pozadiu ob-

vykle generovaný obzvlá²´ silným -CG alebo +CG bleskom (v práci je termím

prebraný do sloven£iny)

xiv

Q-

burstFinder

programový balík, pomocou ktorého boli vyh©adávané Q-burst-y v £asovom

zázname SchR

AGO Astronomické a geofyzikálne observatórium FMFI UK, jeho sú£as´ou je mera-

cia aparatúra na monitorovanie vertikálnej elektrickej zloºky Schumannových

rezonancií

NCK Obseratórium v Nagycenku pri meste Sopron v Ma¤arsku, kde sú monitorované

SchR

ash atmosférický výboj, blesk, proces, ktorý zah¯¬a bu¤ jednorázový sled

líder-RS, alebo sekvenciu nieko©kých po sebe nasledujúcich dvojíc

líder-RS v tom istom kanáli

continuing

current

pokra£ujúci prúd, relatívne nízky prúd te£úci v kanáli okamºite za spätným

úderom (RS)

M-

components

M-komponenty, tranzienty v pokra£ujúcom prúde

xv

Úvod

Blesky sú jedny z najkraj²ích a najfascinujúcej²ích prírodných úkazov, no napriek

tomu nie sú dodnes celkom pochopené a ich niektoré samotné procesy sú stále pred-

metom diskusie. V rámci vied o atmosférickej elektrine sú v centre záujmu teoretického

výskumu modelových výpo£toch a tieº experimentálneho výskumu v ²peciálnych labo-

ratóriách, ktoré v²ak majú obmedzené mnoºnosti simulova´ gigantické výboje na ve©kú

vzdialenos´. V posledných desiatkach rokov bolo uskuto£nených obrovské mnoºstvo me-

raní elektromagnetických polí, ktoré blesk vyºiari v ²irokom pásme frekvencií. Realizované

boli mnohé priame merania v búrkových oblakoch s cie©om pochopi´ mechanizmy distri-

búcie náboja v oblaku, ktorá podmie¬uje vznik výbojov. V sú£asnosti pracuje nieko©ko

desiatok nadnárodných a nenárodných sietí radarov a detektorov, ktoré monitorujú elek-

tromagnetické odozvy bleskov a ktoré sú schopné rozpozna´ intenzitu prúdu a jeho smer

v kanáli blesku a lokalizova´ miesto výboja. Obrovské mnoºstvo informácií poskytujú sa-

telity, ktoré v optickej oblasti sledujú blesky a ich skupiny s istou £asovou a prietorovou

rozli²ovacou schopnos´ou a pomáhajú tak kvantikova´ stav globálnej búrkovej aktivity.

V²etky atmosférické výboje, teda blesky, sa rozde©ujú na +CG, −CG-výboje, £o sú

výboje medzi oblakom a zemou a IC-výboje, teda výboje medzi oblakmi. Výskum týchto

výbojov ukázal, ºe prevládajú výboje medzi oblakmi a v oblakoch. V triede bleskov medzi

oblakom a zemou zase prevládajú −CG výboje, ktoré z oblaku prená²ajú záporný náboj

do zeme na rozdiel od +CG, ktoré prená²ajú kladný náboj do zeme a sú obvykle silnej²ie.

Blesk je komplikovaný proces. Priame pozorovanie ²peciálnymi kamerami, experimenty a

rôzne merania ukázali, ºe blesk je obvykle sekvencia líder, spätný úder ¤alej tzv. pokra£u-

júci prúd a v ¬om sa niekedy vyskytujú tzv. M-komponenty. Najkomplikovanej²í proces z

týchto etáp je za£iato£ný líder, ktorý pripraví horúci plazmatický kanál pre spätný úder.

V planetárnom rozsahu je stále aktívnych asi 2000 búrkových ohnísk a kaºdú sekundu

vznikne okolo 100 bleskov. Vznikajú v troposfére a elektromagnetické pole, ktoré vyºia-

ria, sa ²íri v dutine medzi Zemou a ionosférou. Táto dutina má svoje vlastné frekvencie

v pásme extrémne nízkych frekvencií (ELF) hlavne v rozsahu 7-50 Hz. Dutina je vlno-

vod a sú£asne rezonátor, ktorý je vy²e 4 mld. rokov excitovaný bleskovými výbojmi. Jeho

vlastné frekvencie sú pomenované pod©a autora, ktorý ich predpokladal, ako Schumannove

rezonancie. Je viac staníc na svete, ktoré merajú globálnu odozvu bleskov v pásme ELF.

1

Meria sa radiálna elektrická zloºka a horizontálna magnetická zloºka. V²etky náhodné bles-

kové výboje vytvárajú potom na záznamoch spojité ELF pozadie, schumannovské pozadie.

Ak v tomto pozadí nájdeme obzvlá²´ silné a výrazné blesky tranzienty, ktoré nazývame

Q-bursty, tak ich moºno interpretova´ ako odozva obzvlá²´ silného blesku. Predpokladá sa,

ºe kaºdú hodinu vznikne okolo 100 obzvlá²´ silných −CG bleskov. H©adanie tranzientov,

Q-burstovm v záznamoch z vertikálnej elektrickej zloºky je v centre záujmu tejto práce.

Silné +CG blesky môºu iniciova´ nad búrkovými oblakmi v mezosfére iné svetelné efekty,

moºno e²te fascinujúcej²ie ako blesky v troposfére. Tieto eventy sa ozna£ujú ako TLE,

medzi ktoré sa radia sprajty, elves , blue jets .

Na AGO FMFI UK prebiehali súvislé merania vertikálnej elektrickej zloºky aº do roku

2009. V na²ej práci sa zameriame na obdobie marec, apríl, máj 2007. Pomocou programo-

vého balíka Q-burstFinder sa pokúsime urobi´ analýzu tranzientov, vyhodnoti´ ich po£et v

kaºdom dni a následne po zistení týchto informácií porovna´ denné variácie po£tu tranzien-

tov v jednotlivých mesiacoh. Táto analýza bude vlastne predstavova´ jednak prvé pouºitie

uvedeného porgramového balíka a sú£asne ju budeme chápa´ ako indikátor na ur£enie glo-

bálnej búrkovej aktivity. Toto testovanie bude slúºi´ tieº na zhodnotenie dôveryhodnosti

Q-burstFinder-a. Následne sa pokúsime poukáza´ na moºné nevýhody (ak sa nejaké vy-

skytnú) programu a navrhneme jeho vylep²enia a úpravy.

Ciele tejto práce sú sformulované v 1 kapitole. V 2 kapitole sa budeme venova´ at-

mosférickým výbojom, ich rozdeleniu, uvedieme si základné pojmy týkajúce sa bleskov.

Vysvetlíme, ako súvisia búrky s globálnym atmosférickým obvodom a na£rtneme vznik a

rozloºenie náboja v oblaku. Následne charakterizujeme +CG a −CG výboje. V 3 kapitole

popí²eme Schumannove rezonancie a tieº meraciu aparatúru umiestnenú v AGO FMFI

UK, na ktorej prebehli v²etky merania pouºité na na²u analýzu. Sprajty, ktoré úzko súvi-

sia so silnými výbojmi, popí²eme v 4 kapitole. V poslednej 5 najskôr uvedieme princípy a

kritériá vyh©adávania tranzientov, ktoré pouºíva Q-burstFinder. Autorom tohto programo-

vého balíka je RNDr. L. Rosenberg, PhD. Potom vysvetlíme spôsob spracovania výsledkov

s cie©om ur£i´ z mesa£ných priemerov reprezentatívnu dennú variáciu po£tu tranzientov v

kaºdom skúmanom mesiaci. výsledky sú prezentované v grackej forme. Sú£as´ou posled-

nej kapitoly sú doporu£e«ia pre nov²ie verzie Q-burstFinder-a a vyhodnotenia výsledkov.

2

1Ciele bakalárskej práce

Hlavným cie©om bakalárskej práce je:

1. Charakterizova´ atmosférické výboje-blesky, vysvetli´ procesy ich vzniku a tieº pro-

cesy priebiehajúce po£as bleskov. Bliº²ie popísa´ −CG a +CG blesky. Vysvetli´

pojem globálneho atmosférického prúdového obvodu.

2. Vysvetli´ jav Schumannových rezoznancií, tranzientov (Q-burstov) v ELF -zázname,

a popísa´ priebeh merania a meraciu aparatúru pre vertikálnu elektrickú zloºku SchR

na Astronomickom a geofyzikálnom observatóriu FMFI UK v Modre (AGO).

3. Charakterizova´ sprajty a popísa´ ich spojitos´ s atmosférickými výbojmi a uvies´

ich ukáºky zaznamenanné na AGO-u.

4. Vysvetli´ spôsob vyh©adávania Q-burstov pomocou programového balíka

Q-burstFinder. Vykona´ analýzu a ²tatistické spracovanie Q-burstov po£as jarných

mesiacov marec, apríl, máj 2007 pouºitím programu Q-burstFinder a navrhnú´ jeho

moºné vylep²enia.

5. Vysvetli´ anomálne po£ty výskytu tranzientov po£as jednotlivých sekvencií merania.

6. Výsledky identikácie tranzientov spracova´ a ur£i´ dennú variáciu po£tu Q-burstov

v danom mesiaci z mesa£ných priemerov v jednotlivých meracích £asoch a interpre-

tova´ sezónne zmeny v skúmanom období.

3

2Atmosférické výboje

2.1 Typy bleskových výbojov a základná terminológia

V²etky bleskové výboje (lightning discharges) moºno rozdeli´ do dvoch základných

skupín - výboje medzi oblakmi/v oblaku (inter/intracloud discharges) a výboje do zeme

(ground discharges). Po£etnos´ výbojov v prvej skupine je 2 − 3-krát v䣲ia ako v druhej

skupine. D¨ºka kanálov výbojov v prvej skupine je nieko©ko km aº desiatok km. Aj tieto

výboje nie sú obvykle v jednom kanáli, ale majú nieko©ko bo£ných ramien.

D¨ºku kanálov výbojov od/do zeme moºno denova´ exaktnej²ie. Vý²ka búrkových

oblakov v Európe je obvykle 3 km, takºe kanál má v priemere takúto d¨ºku. Nábojové

centrum oblaku môºe by´ v²ak aº vo vý²ke 10 km, a teda d¨ºka hlavného kanála a jeho

bo£ných ramien môºe dosahova´ aj v䣲ie hodnoty. Hoci fyzikálne dôvody priestorovej

distribúcie kladných a záporných nábojov v oblaku nie sú doteraz celkom jasné, v pod-

kapitole 2.3 uvedieme dva moºné modely tejto situácie, z ktorých jeden je v sú£astnosti

preferovaný.

Tvar rozvetvenia bo£ných ramien je vhodné kritérium pre ur£enie smeru ²írenia

blesku. Nadol smerujúce blesky od oblakov k zemi (descending lightning) sa rozvetvujú

v tvare kore¬ov stromov a blesky stúpajúce (ascending lightning) sa rozvetvujú ako konáre

stromu. V rovinnom teréne vznikajú stúpajúce blesky len od objektov (veºe, mrakodrapy)

s vý²kou aspo¬ 100 − 200 m. Podobne stúpajúci blesk moºno iniciova´ vystrelením sondy

s uzemneným drôtom smerom k oblaku, £o je £astá experimentálna metóda umelého spus-

5

tenia blesku.

Kaºdý zostupný blesk, ktorý prebieha medzi oblakom a zemou sa skladá zo zos-

tupného lídra (leader) a vzostupného spätného úderu (return stroke) a môºe zah¯¬a´ aj

relatívne nízku úrove¬ pokra£ujúceho prúdu (continuing current), ktorý okamºite nasle-

duje po spätnom údere. Tranzientné procesy, ktoré sa objavujú v kanále blesku, po£as

prebiehania pokra£ujúcích prúdov, sa nazývajú M-komponenty. Prvé údery sú spustené

krokovými lídrami (stepped leaders), kým nasledujúce údery, ktoré prebiehajú vo vopred

vytvorených kanáloch, sú spú²´ané ²ípovými alebo ²ípovo-krokovými lídrami (dart leader,

dartstepped leader). Podrobnej²ie vysvetlenie týchto etáp je uvedené v ¤al²om texte.

Okrem smeru bleskového výboja, ktorý ur£ujeme na základe morfologických znakov

vetvenia bo£ných ramien, je druhým dôleºitým faktorom klasikácie blesku jeho polarita.

Z h©adiska pozorovanej polarity náboja odvedeného do podloºia a smeru ²írenia po£iato£-

ného lídra, rozoznávame ²tyri rozdielne druhy bleskových výbojov medzi oblakom a zemou.

Tieto ²tyri typy bleskov sú zostupný záporný, vzostupný záporný, zostupný kladný a vzo-

stupný kladný blesk. Výboje v²etkých ²tyroch druhov môºu by´ chápané ako efektívny

prenos náboja z oblaku do zeme, a preto sa zvy£ajne nazývajú výboje oblak-zem (CG -

cloud-to-groud). Na obr. 2.1 sú schématicky zobrazené tieto 4 typy bleskov. Nazna£ená je

distribúcia náboja v oblaku a tieº prvý líder a polarita náboja v oblaku, ktorá je efek-

tívne odvedená do zeme. Najdôleºitej²ie sú blesky uvedené v ©avej polovici obr. 2.1, teda

klesajúce CG-blesky. Vzostupné záporné a kladné výboje v pravej polovici obr. 2.1 sa vy-

skytujú len od vysokých objektov (vy²²ích ako 100 m) alebo od objektov priemernej vý²ky

umiestnených na vrcholoch hôr. Polarita zostupného blesku je ur£ená polaritou náboja,

ktorý je prená²aný z oblaku do zeme. Okolo 90 % klesajúcich bleskov, ktoré sa vyskytujú

v Európe po£as letných búrok, prená²a záporný náboj z oblaku do zeme, preto ich hod-

notíme ako záporný klesajúci CG-výboj (−CG, negative cloud-to-ground). Moºné sú aj

kladné zostupné výboje. Je ich viac v tropických a subtropických oblastiach, najmä v zime,

ke¤ ich môºe by´ aº 50 %. V priemere v²ak +CG blesky tvoria len 10 a menej precent

z CG bleskov. Pozemské detektory, ktoré snímajú od blesku vyºiarenú elektromagnetickú

energiu v rádiovej oblasti, vedia spo©ahlivo detekova´ okrem iných parametrov aj polaritu

blesku.

6

2.1. TYPY BLESKOVÝCH VÝBOJOV A ZÁKLADNÁ TERMINOLÓGIA

Obr. 2.1: 4 typy CG bleskov.

V centre záujmu tejto práce sú práve +CG a −CG výboje, pretoºe, ak sú dosta-

to£ne intenzívne, môºu vytvára´ aj v pásme ELF (Extremly Low Frequency, 3 Hz − 3

kHz) intenzívne tranzientné odozvy, tzv. Q-bursty. Schumannove rezonancie, o ktorých

budeme podrobnej²ie hovori´ v kapitole 3, sú práve v pásme ELF. Q-bursty vytvárajú v

zázname vertikálnej elektrickej zloºky amplitúdovo výrazné pulzy (spikes) s istými mor-

fologickými znakmi, denovanie ktorých je tieº predmetom ¤al²ích kapitol v tejto práci.

Na tomto mieste len uvedieme, ºe v zázname moºno rozpozna´ polaritu tranzientu a pre-

toºe obzvlá²´ silné sú hlavne +CG blesky, ich Q-bursty budú v záznamoch prevláda´.

V²etky ostatné beºné blesky v planetárnom rozsahu (100-150 kaºdú sekundu) tvoria ne-

koherentný systém zdrojov, ktorých integrálna odozva v rezonátore Zem-ionosféra vytvára

tzv. schumannovské pozadie (Schumann background), v rámci ktorého odozvu obzvlá²´ sil-

ného individuálneho blesku moºno amplitúdovo rozpozna´.

Vo výboji blesku moºno v procese transferu náboja do zeme rozpozna´ tri moºné

módy. Najlep²ie je pre ich ilustráciu pouºi´ prípad po sebe nasledujúcich záporných vý-

bojov. Tieto tri módy, teda jasne odlí²ite©né rôzne formy tranferu náboja, ilustruje obr.

7

2.2 . Prvý a najdôleºitej²í transferový mód je sekvencia líder-spätný úder (na obr. 2.2

je pouºitý ²ípový líder), potom forma transferu v tzv. pokra£ujúcich prúdoch a posledný

mód sú poruchy v pokra£ujúcich prúdoch, ktoré sa ozna£ujú ako M-zloºky.

Obr. 2.2: 1. mód tvorí DL-RS (a), 2. mód sú pokra£ovacie prúdy (b), 3. mód sú M-zloºky

(c).

Prvý mód sa vyskytuje v kaºdom blesku (²ípový líder nie je pri prvom údere, ale je nahra-

dený krokovým líderom), o pokra£ujúcich prúdoch hovoríme vtedy, ak pokles v spätnom

údere (pri zemi) trvá dostato£ne dlho, M-komponenty sa nemusia vyskytova´. Stru£né

charakteristiky týchto módov moºno formulova´ nasledovne:

(a) V postupnosti líder-spätný úder, klesajúci líder vytvára vodivú dráhu medzi

zdrojom náboja oblaku a podloºím, pri£om do nej pozd¨º celej d¨ºky vloºí záporný náboj.

Následne touto dráhou prechádza spätný úder, pohybujúci sa smerom od zeme k zdroju

náboja v oblaku a neutralizuje záporný náboj lídra. Teda procesy lídru aj spätného úderu

slúºia na transport negatívneho náboja z oblaku do zeme.

(b) Pokra£ujúci prúd môºeme chápa´ ako kvázistacionárny oblúk medzi nábojom

oblaku a podloºím. Typické hodnoty tohto prúdu sú rádovo desiatky aº stovky ampérov

a d¨ºka trvania je na úrovni stoviek milisekúnd.

(c) M-komponenty sú poruchy alebo prepätia, ktoré sa vyskytujú po£as pokra£u-

júceho prúdu, súvisia tieº so svietivos´ou kanála. Zdá sa, ºe zah¯¬ajú superpozíciu dvoch

²íriacich sa v¨n v opa£ných smeroch. Priestorová M-komponentná vlna má d¨ºku rádovo

kilometer, kým priestorová d¨ºka vlny ²ípového lídra a spätného úderu býva rádovo de-

siatky aº stovky metrov. Podstatný rodiel medzi prenosom náboja vo forme M-zloºiek a

8

2.1. TYPY BLESKOVÝCH VÝBOJOV A ZÁKLADNÁ TERMINOLÓGIA

vo forme L -RS spo£íva v tom, ºe M-zloºky prebiehajú uº vo vytvorenom uzemnenom a

vodivom kanáli po£as pokra£ujúcich prúdov, kým mód L-RS v etape lídra takýto kanál

len vytvára.

Skôr neº budeme podrobnej²ie charakterizova´ etapy vzniku a vývoja blesku (ash),

kde hlavné etapy sú líder a za ním spätný úder, je dobré pripomenú´, ºe blesk môºe

ma´ viac zloºiek. Inými slovami, sekvencia líder-spätný úder sa môºe za sebou opakova´.

Je jasné, ºe prvá zloºka musí ma´ iné charakteristiky ako nasledujúce zloºky, pretoºe sa

vytvára v e²te neporu²enom vzduchu, kým nasledujúce sekvencie líder-spätný úder pre-

biehajú v tom istom, ale ioniza£ne a hlavne tepelne uº pripravenom kanáli. Bolo zistené,

ºe takmer vo v²etkých prípadoch sú viaczloºkové len −CG blesky. Priemerný po£et zlo-

ºiek je 3 a bol zistený maximálny po£et aº do 30. Priemerné trvanie bleskového výboja

je 0.2 s, maximálne aº 1 − 1.5 s. Tieto £asy sú ur£ené trvaním viacnásobného opakovania

sekvencie L-RS a dovo©ujú aj vo©ným okom identikova´ jednotlivé zloºky ako striedavo

menej a viac intenzívne svetelné stopy v tom istom kanáli. Pozitívne +CG blesky majú

normálne len jednu zloºku , teda jednu sekvenciu líder-spätný úder.

Pravdepodobne najkomplikovanej²í proces v rámci jednotlivých etáp bleskového vý-

boja predstavuje líder. V kniºnej publikácii (Bazelyan, Raizer, 2000) sú ve©mi podrobne

analyzované výsledky experimentálnych ²túdií zameraných na iniciáciu dlhej iskry v pod-

mienkach slabého elektrického externého po©a. tádium lídra predstavuje iniciovanie a rast

vodivého plazmatického kanála medzi oblakom a zemou. Prvotný líder sa v²ak musí ²íri´

cez oblasti, v ktorých externé elektrické pole indukované nábojmi v oblaku nepresahuje

nieko©ko stoviek V cm−1, £o priamo na inonizáciu nesta£í. Pre suchý vzduch pri zemi

treba na prieraz (breakdown) 30 kV cm−1, vo v䣲ích vý²kach pri men²ích tlakoch je to

menej. Napriek tomu sa líder ²íri. Pre jeho ²írenie je potrebné, aby v objemovo malej ob-

lasti vzniklo silné nehomogénne elektrické pole, aby vznikli podmienky ionizácie vzduchu

elektrónovými zráºkami. Dostato£ne intenzívne pole je v ²pi£ke lídra (tip of leader), po-

dobne ako v okolí hrotovej anódy (resp. katódy), ktorú pohybujeme k uzemnenej katóde

(anóde) napr. v tvare dosky. Produkcia vo©ných elektrónov pred ²pi£kou nie je tvorená iba

procesom zráºok, dostato£ným je aº excitácia dusíka a kyslíka a s tým spojená produk-

cia fotónov, ktoré zvý²ia produkciu elektrónov (fotoionizácia). Sú£asne prebiehajú opa£né

procesy rekombinácie, záchytu elektrónov na elektronegatívnych atómoch a radia£nej ab-

sorbcie. Sú£asné názory na proces ²írenia lídra pouºívajú poznatky o strímroch (streamer)

9

a elektrónových lavínach, ²pi£ku lídra povaºujú za ioniza£nú vlnu, ktorá sa ²íri cez nepo-

ru²ený plyn. Nezanedbate©nú úlohu zohrávajú aj geometrické (rozmery) vlastnosti ²pi£ky

lídra a vytvoreného kanála, procesy rozpadu plazmy v kanáli, energetické odhady a vý-

po£ty. Strímrová zóna pred frontom ²pi£ky lídra je iná pre kladný a iná pre záporný líder.

Celý proces vytvorenia plazmatického kanála trvá 10−40 ms. V rámci tohto £asu sa musí

udrºova´ vo vysoko-vodivom stave, £o je moºné, len ak je plyn dostato£ne zahriaty na

5000− 6000 K. Potenciálový spád na koncoch kanála musí by´ malý. V²etky tieto aspekty

sú nato©ko komplikované a stále nie úplne jasné, ºe ich podrobnej²ia diskusia presahuje

rámec tejto práce. V tejto chvíli je pre nás najpodstatnej²ie uvedomi´ si, ºe z fyzikálnych

dôvodov môºe nasta´ prieraz na vzdialenos´ oblak-zem, len ak sa v ²tádiu lídra vytvára

vodivý kanál. Inými slovami, líder je neoddelite©nou £as´ou kaºdej zloºky (v zmysle mul-

tiplicity) bleskového výboja. Líder prvej zloºky nepostupuje spojite, ale po krokoch v d¨ºke

desiatok metrov a s prestávkami 20 − 50 µs, preto má názov krokový líder (stepped lea-

der). Pri multikomponentnom blesku (viac sekvencií L-RS za sebou) vyºadujú aj ¤al²ie

zloºky etapu lídra. Následné zloºky majú pripravovaný ten istý kanál (je zahriaty uº z

predchádzajúcej zloºky) lídrom ²íriacim sa v䣲inou spojite. Tento typ lídra je tzv. ²ípový

líder (dart leader).

Spätný úder (return stroke) vzniká v okamihu kontaktu lídra so zemou alebo uzem-

neným objektom. Naj£astej²ie je to nepriamy kontakt, ke¤ nieko©ko metrov nad zemou sa

oproti dolesmerujúcemu lídru vytvára opa£ný líder (counter-leader). V momente ich kon-

taktu sa iniciuje spätný úder. Je to proces vybitia kanála. Vybíjanie (vyskratovanie) kanála

vedie k vysokým prúdom. Pre −CG blesk má prúdový impulz amplitúdu 10−100 kA a trvá

50−100 µs. peciálne kamery ukázali, ºe v procese vybíjania sa ²íri nahor ²pi£ka prúdovej

vlny rýchlos´ou vRS = (0.1 − 0.5)c, kde c je rýchlos´ svetla. Vlna je charakterizovaná kle-

sajúcim potenciálom a rastúcim prúdom. Kanál sa vo vlne zohrieva na 30 000− 35 000 K,

preto je vlnový front na snímkach ve©mi jasný. Vybíjanie je omnoho rýchlej²ie, ako bol

kanál nabíjaný lídrom rýchlos´ou vL ≈ (10−3 − 10−2)vRS. Na obr. 2.3 uvádzame grafy

£asového priebehu prúdu pri báze RS (pri zemi) vypo£ítané z rôznych matematických

modelov spätného úderu a priestorový stav prúdu v prúdovej vlne pre tri £asové okamihy

(prevzaté z Nickolaenko, Hayakawa, 2002). V tab. 2.1 uvádzame charakteristické £asové,

rozmerové a prúdové hodnoty jednotlivých ²tádií sekvencie líder-spätný úder (prevzaté

z Rakov, Uman, 2005).

10

2.2. GLOBÁLNY ATMOSFÉRICKÝ ELEKTRICKÝ OBVOD

(a) £asový priebeh pri báze RS pod©a rôznych

modelov

(b) Priestorová distribúcia prúdu v kanáli v troch

rôznych £asoch, BG model

Obr. 2.3: asový priebeh a priestorová distribúcia prúdu (prevzaté z Nickolaenko, Hay-

akawa, 2005).

2.2 Globálny atmosférický elektrický obvod

Podrobnej²ím výskumom sa zistilo, ºe zemský povrch je nabitý negatívne a vzduch

pozitívne. Pridruºené elektrické pole za pekného po£asia (fair weather-FW) má pri zem-

skom povrchu hodnotu pribliºne 100 V m−1. Vodivos´ atmosféry vo vý²kach men²ích ako

50 km je zaprí£inená prítomnos´ou iónov produkovaných kozmickým ºiarením a prirodze-

nou rádioaktivitou zeme. Malé ióny, s priemerom 0, 1 aº 1 nm a dobou existencie okolo

100 s, najviac prispievajú k vodivosti v niº²ích £astiach atmosféry. Vo vý²kach nad 60 km

sú hlavnými prispievate©mi vo©né elektróny. Kozmické ºiarenie a prírodná rádioaktivita

prispievajú k produkcii iónov pri zemskom povrchu zhruba rovnakým dielom. Ke¤ºe ve©ké

vodné plochy nemajú významné rádioaktívne vyºarovanie, produkcia iónov nad oceánmi

je pribliºne polovi£ná vzh©adom k produkcii nad zemským povrchom. Elektrická vodivos´

vzduchu na úrovni hladiny mora je 10−14 Sm−1 a s narastajúcou nadmorskou vý²kou sa

rapídne zvy²uje. Vo vý²ke 35 km, kde je hustota vzduchu jedno percento hustoty pri zem-

skom povrchu, je vodivos´ v䣲ia ako 10−11 Sm−1, £o je o tri rády viacej ako hodnota na

hladine mora. Na úrovni 60 km existuje pre rôzne merania význa£ná variácia vodivosti,

hodnoty sa lí²ia aº o ²es´ rádov. Nad 80 km sa vodivos´ stáva anizotropnou z dôvodu ú£inku

11

Parameter Typická hodnota

Krokový líder

D¨ºka kroku 50m

asový interval medzi krokmi 20 − 50µ s

Krokový prúd > 1 kA

Náboj jedného kroku > 1mC

Priemerná rýchlos´ ²írenia 2x105ms−1

Celkové trvanie 35ms

Priemerný prúd 100 − 200A

Celkový náboj 5C

Elektrický potenciál ∼ 50MV

Teplota kanála ∼ 10 000K

Prvý spätný úder

pi£kový prúd 30 kA

Maximálna rýchlos´

stúpania prúdovej vlny ≥ 10 − 20 kAµs−1

as nárastu prúdu (na 10-90 % ) 5µs

as nárastu prúdu

na polovicu 70 − 80µs

Prenesený náboj 5C

Rýchlos´ ²írenia (1 − 2) x 108ms−1

Polomer kanála ∼ 1 − 2 cm

Teplota kanála ∼ 30 000K

ípový líder

Rýchlos´ (1 − 2) x (107ms−1)

Trvanie 1 − 2ms

Náboj 1C

Prúd 1 kA

Elektrický potenciál ∼ 15MV

Teplota kanála ∼ 20 000K

Parameter Typická hodnota

Následný spätný úder

pi£kový prúd 10 − 15 kA

Maximálna rýchlos´

stúpania prúdovej vlny 100 kAµs−1

Rýchlos´ narastania

prúdu (na 10-90 %) 30 − 50 kAµs−1

as nárastu prúdu (10-90 %) 0, 3 − 0, 6µs

as nárastu prúdu

na polovicu 30 − 40µs

Prenesený náboj 1C

Rýchlos´ ²írenia (1 − 2) x 108ms−1

Polomer kanála ∼ 1 − 2 cm

Teplota kanála ∼ 30 000K

Pokra£ujúci prúd

(s d¨ºkou viac ako ∼ 40ms)

Ve©kos´ prúdu 100 − 200A

Trvanie ∼ 100ms

Charge transfer 10 − 20C

M-komponenty

pi£kový prúd 100 − 200A

as nárastu prúdu (10 − 90%) 300 − 500µs

Prenesený náboj 0, 1 − 0, 2C

Celkový náboj

Trvanie 200 − 300ms

Po£et úderov na jeden blesk 3 − 5

Interval medzi dvoma údermi 60ms

Prenesený náboj 20C

Energia 109 − 1010 J

Tabu©ka 2.1: Charakteristika -CG bleskov, líder, spätný úder, pokra£ujujúce prúdy (pre-

vzaté z Rakov, Uman, 2005).

geomagnetického po©a. V týchto vý²kach sa tieº vyskytujú denné variácie spôsobené so-

lárnymi fotoioniza£nými procesmi. Oblas´ atmosféry za kvázistacionárnych podmienok vo

vý²kach 60 km a vy²²ie býva dostato£ne vodivá, teda sa povaºuje za ekvipotenciálny región

alebo elektrosféru, v podstate kore²ponduje so spodnou £as´ou ionosféry.

Celková situácia atmosferického elektrického obvodu je £asto interpretovaná ako stra-

tový sférický kondenzátor, kde vonkaj²iu £as´ tvorí elektrosféra a vnútornú £as´ zemský

povrch. Vzh©adom k tomuto modelu je zemský povrch nabitý negatívne, celkový náboj má

hodnotu zhruba 5 × 105 C. Rovnakú hodnotu má pozitívny náboj rozmiestnený v celej

atmosfére. Okrem toho v䣲ina pozitívneho náboja sa rozkladá v oblasti jedného kilometra

nad zemským povrchom a viac ako 90 % tohto náboja vo vý²ke 5 km. Pretoºe atmosféra

medzi doskami kondenzátora je slabo vodivá, za pekného po£asia (FW) medzi nimi na-

stáva prúdové presakovanie o ve©kosti 1 kA. Ak by neexistoval ºiaden mechanizmus,

ktorý by dop¨¬al náboj, FW prúd by ho na zemi a v atmosfére neutralizoval po£as 10 mi-

nút. Ke¤ºe sa zistilo, ºe kondenzátor zostáva nabitý, musí existova´ mechanizmus, ktorý

12

2.2. GLOBÁLNY ATMOSFÉRICKÝ ELEKTRICKÝ OBVOD

tento náboj obnovuje. Wilson v r.1920 navrhol, ºe záporný náboj na Zemi je udrºiavaný

pôsobením búrok. Teda v²etky búrkové oblasti na svete (priemerne sa kaºdú chví©u vytvorí

2000 búrok, ktoré sa nachádzajú na viac ako 10 percentách zemského povrchu) tvoria glo-

bálny búrkový generátor, kým oblasti s pekným po£asím (FW) (pribliºne 90 % zemegule)

môºeme povaºova´ za odporovú zá´aº.

Negatívny náboj je privádzaný na Zem hlavne bleskami a korónovým prúdom pod

búrkovými oblakmi. Zdá sa, ºe elektrické prúdy v dôsledku atmosferických zráºok (dẤ,

krúpy) prená²ajú kladný náboj do podloºia, ich ve©kos´ je porovnate©ná s prúdmi pro-

dukovanými bleskami. Predpokladá sa, ºe kladný náboj uniká z horných £astí oblakov

do elektrosféry. Ak uvaºujeme, ºe potenciál elektrosféry je 300 kV vo£i zemi a FW-prúdy

majú globálnu hodnotu 1 kA, tak efektívny odpor FW-atmosféry je 300 Ω.

Obr. 2.4: Búrkové oblaky a prúdy za FW podmienok.

Na obr. 2.4 uvádzame schématické znázornenie prúdov pre FW-podmienky a búrkové

oblaky ako batériu pre neustále obnovovanie potenciálového rozdielu medzi spodnou

ionosférou a zemou. Pod globálnym atmosferickým prúdovým obvodom teda rozumieme

nadol smerujúci prúd pri FW-podmienkach, ktorý je uzavretý (celkovým) nahor smeru-

júcim prúdovým systémom v lokalitách s vytvorenými búrkovými oblakmi (najmä typu

cumulonimbus). Aby oblaky fungovali ako batéria , resp. prúdový zdroj, tak musí by´

v ich objeme priestorovo ²trukturovaný náboj. Na obr. 2.4 je zjednodu²ene nazna£ené,

ºe v hornej £asti oblaku je celkový náboj (net charge) kladný a v dolnej záporný. V na-

sledujúcej podkapitole stru£ne uvedieme moºné mechanizmy vzniku a distribúcie náboja

v oblaku a uvedieme, ºe v skuto£nosti môºe by´ táto distribúcia zloºitej²ia.

13

2.3 Mechanizmy vzniku a distribúcie náboja v oblaku

Základným zdrojom bleskov sú oblaky typu cumulonimbus, beºne nazývané búrkové

mraky. V skuto£nosti sú to ve©ké atmosferické tepelné stroje s energiou dodávanou zo Slnka

a s vodnou parou, ktorá je hlavným £inite©om prenosu tepla, teda pracovným médiom.

Búrkové mraky sa vyvíjajú z malých oblakov cumulusov vyskytujúcich sa za pekného

po£asia, ktoré sa formujú, ke¤ objemy s horúcim a vlhkým vzduchom stúpajú a ochladzujú

sa adiabatickou expanziou. Ke¤ relatívna vlhkos´ vzduchu v stúpajúcich a ochladzujúcich

sa £astiach prekro£í stav nasýtenia, hmota skondenzuje, sformuje sa mnoºstvo malých

vodných £astíc. Tie následne vytvoria vidite©ný oblak. Vý²ka kondeza£nej úrovne, ktorá

ur£uje vý²ku základne oblaku, sa zvy²uje so zniºujúcou sa relatívnou vlhkos´ou pri zemi.

Ak vodné kvapky stúpajú nad 0 C izotermu, tak £as´ zmrzne. ale £as´ malých £astíc

zostáva v kvapalnej fáze a tvoria podchladené £astice. Pri teplote −40 C sú uº v²etky

vodné £astice zamrznuté. Teda v teplotnom rozsahu 0 C aº −40 C sa v objeme oblaku

vyskytuje zmes £astíc v kvapalnej a tuhej fáze. Práve táto oblas´ je oblas´ou, kde prebieha

v䣲ina procesov nabíjania a v rámci nich aj priestotovej distribúcie náboja.

Blesky sú zvy£ajne spojené s konvektívnym oblakovým systémom v rozmedzí od 3 km

do 20 km vo vertikálnom smere. Horizontálne rozmery aktívnej £asti vzduchu búrky sú

od 3 km do 50 km. Zdanlivo spojené búrky sa môºu nachádza´ pozd¨º studených frontov

rozprestierajúcich sa na stovkách kilometrov.

Rozloºenie a presúvanie búrkového elektrického náboja, ktorého v䣲ia £as´ sa nachádza v

hydrometeoroch (rôzne kvapalné a zmrznuté vodné £astice v atmosfére) a £as´ v iónoch,

je komplikované a s vývojom mraku sa nepretrºite mení. Hydrometeory s rýchlos´ou pádu

v䣲ou ako 0, 3 ms−1 , ktorých pohyb je prevaºne ovplyvnený gravitáciou, sa nazývajú

zráºkové (precipitation) £astice. V²etky ostatné £astice sa nazývajú £asticami oblaku.

Rozloºenie náboja je £asto zobrazované vertikálne nad sebou uloºenými bodovými

nábojmi, kladným na vrchu oblaku, záporným v strede a men²ím kladným v spodnej £asti

oblaku, umiestneným nad dokonale vodivým podloºím. Dva vrchné náboje sa zvy£ajne

nazývajú hlavnými a £asto majú rovnakú ve©kos´. Spodný kladný náboj nemusí by´ vºdy

prítomný. Dva hlavné náboje tvoria kladný dipól, pretoºe kladný náboj je nad záporným.

Na obr. 2.5 je zobrazený idealizovaný tripólový model distribúcie náboja v cumulonimbe

s uvedením charakteristických ve©kostí nábojov a ich vý²ky nad povrchom.

14

2.3. MECHANIZMY VZNIKU A DISTRIBÚCIE NÁBOJA V OBLAKU

Obr. 2.5: Jednoduchý tripólový model distribúcie náboja v búrkovom oblaku. Tieniace

náboje mimo oblaku nie sú znázornené a sú ignorované.

Jednoduchý tripólový model s tromi bodovými nábojmi dovo©uje priamo vypo£íta´ ve©kos´

intenzity elektrického po©a na povrchu zeme. Ak uvaºujeme povrch za dokonale vodivý,

tak je to jednoduchá elektrostatická úloha rie²ite©ná metódou zrkadlenia. Vektor inten-

zity elektrického po©a musí by´ kolmý na povrch a je zrejme moºné po£íta´ situácie, ke¤

niektorú sú£as´ tripólovej distribúcie odstránime, napríklad v dôsledku atmosférického

výboja. V kniºnej publikácii (Rakov, Uman, 2005) je uvedené mnoºstvo reálnych meraní

elektrických polí na povrchu bu¤ vo vzdialených bodoch alebo priamo v oblaku (obvykle

na raketách, lietadlách, balónoch) v rôznych situáciách (pred, po£as a po atmosférických

výbojoch). Výsledky meraní vo vzdialených bodoch alebo in situ sú rôzne, ale základnú

tripólovú ²truktúru v podstate podporujú, hoci reálne sa v oblaku môºu vrstvi´ objemové

náboje rôznej polarity aj komplikovanej²ie. Pri interpretácii meraní v²ak nemoºno zabúda´

na dôleºité skuto£nosti.

Horný kladný náboj pri´ahuje záporné ióny k vrcholu oblaku z elektricky vodivého

vzduchu v okolí oblaku. Tieto ióny su produkované kozmickým ºiarením, vysokoenergetic-

kou elektromagnetickou radiáciou a £asticami (vä²inou jadrá vodíka a hélia) galaktického

pôvodu. Ióny pripojené k malým oblakovým £asticiam na krajoch mraku formujú zápornú

tieniacu vrstvu hrubú miestami aº nieko©ko stoviek metrov. Elektrické pole tejto vrstvy

£iasto£ne ru²í elektrické pole vnútorného kladného náboja, takºe pre vonkaj²ieho pozo-

rovate©a £iasto£ne odtie¬uje tento vnútorný náboj. V niº²ích vý²kach príspevok ionizácie

od kozmického ºiarenia klesá, no ionizácia zaprí£inená prirodzenou rádioaktivitou Zeme je

naopak zna£ná. Hlavný záporný náboj spôsobuje vznik bodového výboja, tieº nazývaný

15

koróna, od stromov a rôznych bodových objektov na zemi pod búrkovým oblakom. Toto

vytvára pokrývku pozitívneho náboja vo vzduchu blízko povrchu Zeme medzi oblakom

a pozorovate©om na zemi. Kvôli kórone je ve©kos´ elektrického po©a na úrovni zeme limi-

tovaná typicky pozorovanými hodnotami okolo 1-10 kV m−1.

Komplikované dia©kové a in situ merania ukázali, ºe záporný náboj sa vyskytuje v relatívne

úzkom teplotnom rozsahu pribliºne od −10 po −25 C, kde oblak obsahuje ako podchla-

dené vodné kvapky, tak aj tuhé ©adové fázy. In situ merania ukázali, ºe elektrické polia v

oblaku dosahujú hodnoty (1− 4)× 105 V m−1. Vo vý²ke 6 km je reprezentatívna hodnota

po©a potrebná na prieraz asi 1.6×106 V m−1. Z meraní vo vnútri oblaku sa zistilo, ºe oblas´

náboja s priemerom pribliºne 700 m obsahuje celkový náboj o ve©kosti 5 C. Stredná hod-

nota hustoty pre tieto hodnoty merania je 30 nC m−3. Meranie bolo uskuto£nené v oblaku

vo vý²ke okolo 5, 8 km nad morom, pri£om spodok a vrch oblaku bol vo vý²ke 4 a 9 km.

Priemerná hustota náboja v búrkovom oblaku sa pohybuje od 0, 3−3 nC m−3, kým v ma-

lých oblastiach vo vnútri oblaku môºe hustota presahova´ hodnoty 10 aº 100 nC m−3. Iné

merania viedli k odhadu, ºe priemerná hustota rozloºenia náboja je 0, 7− 1, 8 nC m−3 pre

záporne nabité oblasti s vertikálnou plochou menej ako 1, 6 − 1 km. Pre pozitívne nabité

oblasti hrubé od 0, 8 do 1, 5 km boli zistené hustoty 0, 5− 1, 7 nC m−3. Oblas´ záporného

náboja bola v týchto oblakoch sústredená medzi vý²kami, kde boli teploty medzi 0 C aº

−10 C, oblas´ kladného náboja sa nachádzala nad zápornou oblas´ou.

Pre aktívne oblaky silných búrok boli v ¤al²ích meraniach zaznamenané hustoty náboja

1, 2 nC m−3 pre negatívne oblasti koncentrované na úrovni −9 C s vertikálnym rozsahom

men²ím ako 1 km. Husototy 0, 15 nC m−3 pre oblasti vrchného kladného náboja, ktoré

sa rozprestierali na vertikálnom úseku aº do rozmeru 6 km. Sú£asne bola identikovaná

negatívne nabitá tieniaca vrstva v hornej hranici oblaku, ktorá bola hrubá 200 − 250 m

s priemernou hustotou náboja 1, 5 nC m−3. Koncentrovaný záporný náboj hrúbky 40 m,

ktorý sa nachádzal v hornej £asti hlavnej negatívnej oblasti oblaku, mal hodnotu hustoty

náboja pribliºne 17 nC m−3. Odhadnutá bola aj hustota spodného kladného náboja na

0, 2 nC m−3 a vrchného záporného na 0, 1 nC m−3 nachádzajúcich sa vo vnútri nákovy

oblaku. Sú£asné merania, ktoré prebiehali priamo v oblaku ukazujú, ºe ku klasickéku tri-

pólovému rozloºeniu náboja by mala by´ pridaná e²te aspo¬ jedna oblas´, záporná tieniaca

vrstva, nachádzajúca sa v hornej hranici oblaku.

Napriek nahromadeniu obrovského mnoºstva nameraných údajov nie je doteraz cel-

16

2.3. MECHANIZMY VZNIKU A DISTRIBÚCIE NÁBOJA V OBLAKU

kom jasné, aké procesy vedú k samotnej elektrizácii v oblaku a pre£o moºno pouºi´ jedno-

duchý tripólový model. Pretoºe v䣲ina náboja je na hydrometeoroch s relatívne nízkou

pohyblivos´ou, je oblak vcelku dobrým izolantom a nedochádza k presakovacím prúdom,

ktoré by sa nedali zanedba´.

Z viacerých modelov elektrizácie a distribúcie náboja v oblaku spomenieme dva. Prvý je

konvektívny model a druhý tzv. graupel-©ad model. Graupel (z nem£iny) je hydrometeor

ozna£ovaný ako mäkká krúpa (soft hail), lebo na dotyk sa táto £astica o priemere 0.5 cm

môºe rozpadnú´ na rozdiel od ©adovej krúpy, ktorá je tvrdá.

Obr. 2.6: Konvektívny mechanizmus.

Konvektívny mechanizmus elektrizácie oblaku predpokladá, ºe len vonkaj²ie zdroje za-

bezpe£ia náboj a jeho distribúciu. Je znázornený na obr. 2.6. Objemový kladný náboj

z FW-vzduchu je v stúpajúcom teplom vzduchu vyná²aný nahor, ke¤ sa sú£asne vytvára

oblak. Následne sa z vonkaj²ej strany indukuje tieniaci záporný náboj, o ktorom sme uº

hovorili. V rámci konvektívnej cely je tento náboj strhávaný nadol a aj do objemu oblaku.

Vytvárajúci sa spodný záporný náboj iniciuje na povrchu zeme kladnú korónu, ktorá po-

skytuje nový kladný náboj, takºe je tu kladná spätná väzba. Postupne sa vytvorí dipólová

²truktúra oblaku. Tento mechanizmus v²ak nevysvet©uje niektoré pozorované skuto£nosti.

Mechanizmus, ktorý vysvet©uje tripólové rozloºenie náboja v oblaku je uº spomenutý

krúpovo-©adový mechanizmus (graupel-ice). Je zaloºený na princípe zelektrizovania jed-

notlivých £astíc trením v zráºkach medzi krúpami a ©adovými kry²tálmi za prítomnosti

vodných kvapô£ok. aºké krúpové £astice (graupel) padajú cez suspenziu men²ích £ias-

to£iek ©adových kry²tálov a podchladených vodných kvapô£iek. Kvapky zostávajú v pod-

chladenom kvapalnom stave, kým neprídu do kontaktu s povrchom ©adu, na ktorom sa

17

udrºia a zmrznú. Laboratórne experimenty ukázali, ºe ak je teplota prostredia pod kri-

tickou hodnotou nazývanou reverzná teplota (reversal temperature-Tr), padajúce krúpy

(graupel) nadobudnú v zráºkach s ©adovými kry²tálmi záporný náboj. Nad teplotami Trzískajú kladný náboj. Obr. 2.7 ilustruje tieto procesy. aºké krúpy vypadávajú z oblaku

a v daných vý²kach ostávajú vo vrstvách nabité ©adové kry²táliky a podchladené kvapky.

Oblas´ Tr sa v²eobecne nachádza medzi teplotou −10 C aº −20 C a teplotami v cha-

rakteristickom rozsahu oblasti hlavného záporného náboja. Niektorí autori nazna£ili , ºe

krúpy, ktoré získajú pozitívny náboj, môºu vysvet©ova´ existenciu spodného kladného ná-

boja umiestneného v oblaku. No napriek tomu, pôvod tohto náboja je stále vecou diskusie.

Obr. 2.7: Krúpovo-©adový mechanizmus (Graupel-ice).

2.4 Záporný atmosférický výboj od oblaku k zemi

Ako sme uº uviedli v kapitole 2 negatívne zostupné výboje, ktoré prená²ajú záporný náboj

do zeme, tvoria pribliºne 90 % výbojov typu oblak-zem. Celkový výboj-blesk pozostáva

z viacerých procesov. Tieº sme uº uviedli, ºe ako prvý vzniká líder, ktorý vytvára vodivú

dráhu medzi zdrojom náboja v oblaku a zemou, pri£om do nej efektívne vkladá záporný

náboj. Nasledujuci spätný úder prechádza touto istou dráhou smerom od zeme k oblaku

a neutralizuje negatívny náboj pozd¨º celej vodivej dráhy. Oba procesy slúºia na presun

18

2.4. ZÁPORNÝ ATMOSFÉRICKÝ VÝBOJ OD OBLAKU K ZEMI

záporného náboja z oblaku do zeme. Líder, ktorý spú²´a prvý spätný úder sa odli²uje

od ostatných, ktoré spú²´ajú nasledujúce spätné údery, v²etky údery okrem prvého sa

nazývajú nasledujúce údery. Javí sa ako nespojitý proces, preto sa nazýva krokový líder

(stepped leader - SL), kým ²pi£ky nasledujúcich lídrov sa posúvajú plynulo a na zázna-

moch vyzerajú ako ²íp. Z tohto dôvodu sa v²etky nasledujúce lídre volajú ²ípové lídre

(dart leader - DL).

Krokovému lídru predchádza proces odohrávajúci sa vo vnútri oblaku ozna¢ovaný

ako za£iato£ný prieraz(initial alebo preliminary breakdown). Je to vertikálny výboj me-

dzi hlavným záporným a spodným kladným nábojom, môºe trva´ aº desiatky milisekúnd,

no mechanizmus tohto procesu nie je aj tak celkom pochopený. Merania elektrických polí

v²ak nazna£ujú, ºe pred samotným procesom lídra priamo v oblaku prebiehajú vysokofrek-

ven£né lokálne výboje. Nasledujúci SL sformuje negatívne nabitý plazmový kanál ²íriaci

sa k zemi v diskrétnych krokoch priemernou rýchlos´ou 2 x 105 ms−1. Kaºdý krok má ty-

pickú d¨ºku 10 aº 200 m, trvá asi 1 µs a prestávky medzi krokmi trvajú 20− 50 µs. D¨ºka

krokov a ich jas sa zv䣲uje so zvy²ujúcou sa rýchlos´ou lídra. Maximálna hodnota prúdu

jednotlivých krokov je 1 kA alebo viac. Vo vodivom kanále je rozmiestnených nieko©ko

coulombov negatívneho náboja, preto môºe by´ líder zobrazovaný ako etapa blesku, ktorá

prená²a záporný náboj zo zdroja a ukladá ho do kanála ²íriaceho sa k zemi. Celý proces

SL trvá zvy£ajne nieko©ko desiatok milisekúnd a priemerný prúd lídra dosahuje stovky

ampérov. Reprezentatívne hodnoty pre líder sme uviedli v tab. 2.1. ím sa líder viac blíºi

k zemi, intenzita elektrického po©a zeme alebo vystupujúcich objektov okolitého povrchu

sa zvy²uje, aº kým nenadobudne kritickú hodnotu na spustenie jedného alebo viacerých

stúpajúcich lídrov. V dávnej²ich pozorovaniach sa lídre rozdelovali na α-typy a β-typy.

V䣲ina, 55 aº 70 % odfotografovaných lídrov, boli typu α. Tie sú charakteristické rovno-

mernou rýchlos´ou 105 ms−1 a taktieº krokmi, ktoré sa zna£ne neodli²ujú v d¨ºke a ani v

jase. No napriek tomu sú kroky krat²ie a menej ºiarivé ako pri type β lídra. β lídre majú

dve ²tádia vývoja, ktoré sa objavujú mimo oblaku. Vznikajú pod spodnou stranou oblaku,

ob£as sa objavia z jeho bo£nej strany s relatívne dlhými krokmi a vysokou priemernou

rýchlos´ou okolo 106 ms−1 a následne vytvárajú rozsiahle vetvenie blízko základne oblaku.

Sú viacej rozvetvené, rýchlej²ie ako α typ a ich jasnej²ia £as´ je ukrytá vo vnútri oblaku.

Iniciácia stúpajúceho lídra (counter-leader) zo zeme ozna£uje za£iatok ved©aj²ích pro-

cesov. Táto £as´ je ukon£ená v okamihu, ke¤ sa spoja klesajúci a stúpajúci líder, zv䣲a vo

19

vý²ke desiatok metrov. Na tomto mieste vzniká prvý spätný úder. Slúºi na neutralizáciu

lídrového náboja, teda presúva záporný náboj z kanála do zeme. Ve©ký prúd vlny RS náhle

zahreje plazmatický kanál na skoro 30 000 K, vytvorí tlak 10 atm a viac. Toto spôsobuje

expanziu, intenzívne ºiarenie a rázovú vlnu ²íriacu sa do prostredia, £ím vzniká zvuková

vlna, hrom. Ak sa blesk kon£í prvým spätným úderom, nazýva sa jedno-úderový blesk.

Av²ak £astej²ie nastane, ºe zvy²kami kanálu e²te prejde smerom k zemi spojitý ²ípový

líder DL. V intervale medzi koncom prvého spätného úderu a za£iatkom ²ípového lídra

sa v oblaku objavujú tzv. J-procesy (junction) a K-procesy. J-proces je pomal²í a rýchle

K-procesy sú na ne naloºené , sú to preto tranzientné zmeny. K-procesy moºno povaºo-

va´ ako neúspe²né pokusy o ²ípový líder. Oba deje zabezpe£ujú transport dostato£ného

£erstvého záporného náboja do existujúceho kanála s tým, ºe nenastane spojenie aº po

zem. Procesy objavujúce sa po poslednom údere, £i uº jedno-úderového blesku alebo viac-

úderového blesku, sa nazývajú F-procesy (nal).Sú podobné, ak nie identické s J-procesmi.

V okamihu ke¤ sa spodná £as´ DL kanála spojí so zemou, druhá, alebo ¤al²ia nasledujúca

RS vlna je vyslaná v opa£nom smere a slúºi na neutralizáciu lídrového náboja. Prúd na-

sledujúceho RS pri zemi narastie na hodnotu od 10 do 15 kA za menej ako mikrosekundu.

Za impulzívnymi £as´ami prúdu ¤al²ích RS £asto nasledujú pokra£ujúce prúdy, ktorých

ve©kosti sa pohybujú od desiatok po stovky ampérov a trvajú aº stovky milisekúnd. Prúdy,

ktoré trvajú pribliºne 40 ms a viac, sa zvyknú nazýva´ dlhé pokra£ujúce prúdy. V priebehu

pokra£ujúcich prúdov sa môºu vyskytova´ prekrývajúce sa prepätia, ktorých hodnota vy-

stúpi na maximum a klesne na pôvodnú hodnotu po£as pár mikrosekúnd. Maximum býva

zv䣲a okolo stoviek ampérov, len ob£as sa vy²plhá aº na hodnotu kiloampérov. Tieto pre-

pätia prúdu sa nazývajú M-komponenty. Celý blesk so v²etkými procesmi trvá pribliºne

stovky milisekúnd a celkový náboj odvedený do zeme má ve©kos´ desiatok coulombov.

Na obr. 2.8, ktorý je výsledkom merania zmien elektrostatického po©a z jedného

viaczloºkového blesku, vidíme zmeny elektrostatického po©a po skon£ení spätného úderu.

nasledovali za ním rýchle K-procesy (K1 − K5), pomalý J-proces, potom ²ípový líder,

druhý spätný úder a napokon v pokra£ujúcom prúde prebiehali 3 M-zloºky (M1 −M3).

Vidíme, ºe od prípravy výboja v oblaku (za£iato£ný prieraz) aº po posledný spätný úder

je anatómia jedného multizloºkového blesku ve©mi komplikovaná.

20

2.5. KLADNÝ ATMOSFÉRICKÝ VÝBOJ OD OBLAKU K ZEMI

Obr. 2.8: Procesy po skon£ení spätného úderu.

2.5 Kladný atmosférický výboj od oblaku k zemi

Pozitívne blesky sú denované ako tie, ktoré prená²ajú pozitívny náboj od oblaku

k zemi. Tvoria menej ako 10 % v²etkých bleskov typu oblak-zem. K týmto bleskom patria

aj tie, pri ktorých boli priamo namerané najv䣲ie prúdy (okolo 300 kA) a najv䣲ie pre-

nosy náboja k zemi. Preto kladné blesky £asto spôsobujú váºnej²ie ²kody ako negatívne

blesky. Taktieº sú v䣲inou dominantným typom bleskov oblak-zem po£as zimného obdo-

bia. V poslednej dobe sa zistilo, ºe sú úzko spojené so svetelnými javmi vyskytujúcimi sa v

strednej atmosfére (mezosféra) nazývanými sprajty. Aj napriek relatívne malému percen-

tuálnemu podielu kladných bleskových výbojov, existuje pä´ situácií, ktoré sú s nimi £asto

spajané. Sú to: (1) Rozpadajúce sa koncové stavy jednotlivých búrok, (2) zimné búrky,

(3) plytké oblaky ako okrajové oblasti oblakov typu stratus v rozsiahlych mezo²kálových

konvektívnych systémoch, (4) obzvlá²´ silné búrky, (5) búrky, ktoré vznikli nad oblas´ami

lesných poºiarov, alebo nad oblas´ami, ktoré boli kontaminované dymom.

Pozitívne blesky sú v䣲inou zloºené z jedného úderu, kým 80 % záporných bleskov

obsahuje dva alebo viac úderov. Viacnásobné údery pozitívnych výbojov sa objavujú tieº,

no sú relatívne zriedkavé. Kladný spätný úder má tendenciu, ºe po ¬om nasledujú pokra-

£ovacie prúdy, ktoré typicky trvajú desiatky aº stovky milisekúnd. Namerané pokra£ovacie

prúdy boli v䣲ie ako 10 kA, £o môºe by´ dôsledkom prenosu nezvy£ajne ve©kého náboja.

Zo záznamov elektrického po©a, pozitívne spätné údery sú £asto predchádzané význa£nou

21

aktivitou výbojov vo vnútri oblakov, ktorá trvá pribliºnie 100 aº 200 ms. Viacerí pozo-

rovatelia zistili, ºe výboje majú £asto horizontálny kanál dlhý desiatky kilometrov. Zdá

sa, ºe kladné lídre sa môºu ²íri´ spojite alebo po krokoch. Toto je kontrast oproti prvým

negatívnym lídrom, ktoré sú vºdy po£as ²írenia vidite©ne nespojité. Negatívne lídre sa

javia na záznamoch ako série lídrových kanálov oddelených nesvietivými medzerami, kým

pozitívne lídre v䣲inou preukazujú bu¤ spojitý svietivý kanál s prekrývajúcimi sa krokmi,

za výsledku zvý²enia svietivosti, alebo sa objavujú bez týchto krokov.

Kladný líder sa skladá zo ²pi£ky lídra, ktorý zaberá objem pribliºne 1 cm3, lídrového

kanála s priemerom okolo 1 mm a zo strímrovej zóny. Lídrová ²pi£ka je jasnej²ia ako zvy²né

£asti lídra. Kanál je plazma s teplotou rádovo 10000 K a relatívne vysokou vodivos´ou 104

Sm−1, £o je blízko hodnoty vodivosti uhlíka. Pozitívnemu lídru predchádza za£iato£ná ko-

róna, ktorá je zodpovedná za zahriatie vzduchu v okolí oblaku a za sformovanie za£iato£nej

£asti plazmového kanála. Po£as prvého £asového intervalu sa d¨ºka kanála strímrovej zóny

zv䣲í a náboj spojený so systémom lídra ostáva medzi oblakom a zemou. Po£as druhého

£asového intervalu je strímrová zóna v kontakte so zemou a umoº¬uje odstránennie ná-

boja. Výsledkom toho je zv䣲enie kanála a nárast prúdu. V momente ke¤ sa ²pi£ka lídra

dotkne zeme, je vybudený spätný úder.

Zistilo sa, ºe z dôvodu nárastu napätia v oblasti medzi oblakom a zemou, sa kladný

líder môºe pohybova´ spojito alebo po £astiach. Toto ²írenie po £astiach môºe by´ zaprí-

£inené vlhkos´ou prostredia. Kaºdá takáto £as´ obsahuje prudký korónový ráz, podobný

po£iato£nému, ktorý sa ²íril zo ²pi£ky lídra. Následne sa kanál na pár mikrosekúnd roz²íri,

aº kým sa nevzbudí ¤al²ia koróna. Prudké kladné prúdy sformujú vlny s £asom nárastu

rádovo 10 µs, £o sú porovnate©né hodnoty prvých úderov záporných bleskov. Taktieº boli

pozorované vlny s dlh²ím £asom nárastu, okolo stoviek mikrosekúnd.

V súvislosti s +CG výbojmi môºeme sformulova´ ich najpodstatnej²ie charakteris-

tiky. V na²ich európskych podmienkach sa obvykle vyskytujú v závere£nej fáze búrok, ke¤

sa konvektívne systémy rozpadajú. Obvykle vznikajú, ak je búrkový systém rozsiahly, má

teda charakter mezo²kálového konvektívneho systému (MCS).

Prúdy v spätnom údere sú oproti −CG podstatne v䣲ie. +CG výboje sú tie výboje,

ktoré klasikujeme ako obzvlá²´ silné, a preto sú s nimi spojené v ELF-oblasti tranzienty

nazývané Q-bursty. Analýza ich výskytu v priebehu marca-mája 2007 je jedným z hlav-

ných cie©ov tejto práce. Napokon je treba zdôrazni´, ºe s +CG-výbojmi je spojený jeden

22

2.5. KLADNÝ ATMOSFÉRICKÝ VÝBOJ OD OBLAKU K ZEMI

z najkraj²ích svetelných efektov v oblasti nad búrkovými oblakmi aº do ionosféry, ktoré

D. Sentmann nazval sprajty (sprites, ²kriatkovia). Preto má význam ²tudova´ kauzálnu

sekvenciu: rodi£ovský +CG výboj, k nemu h©ada´ v ELF-zázname Q-burst a sú£asne,

ak vznikol, tak aj sprajt (£o samozrejme vyºaduje kontinuálne no£né pozorovanie).

23

3Schumannove rezonancie

3.1 Základné charakteristiky Schumannových rezonan-

cií

V kapitole 2 tejto práce sme vysvetlili, ºe bleskový výboj nie je ni£ iné, len elektrický

prúd v procese prierazu atmosféry. Prúdy môºu tiec´ vertikálne v smere oblak-zem (CG-

výboje) alebo aj v horizontálne v samotnom oblaku (IC-výboje). Vysoké stavby a kon£iare

skalných masívov môºu iniciova´ aj zriedkavej²ie výboje typu zem-oblak (GC-výboje). At-

mosferické výboje generujú tranzientné pulzy v rádiovej oblasti, ktoré majú spolo£ný názov

sférik (sferic). túdium generácie a ²írenia elektromagnetických v¨n v pásme ELF (extremly

low frequency: 3 Hz − 3 kHz) a v pásme V LF (very low frequency: 3 kHz − 30 kHz)

v podmienkach dutiny Zem-ionosféra je v centre záujmu mnohých vedcov. Sú to vlny nízkej

frekvencie, teda s ve©kými vlnovými d¨ºkami. Ak uváºime polomer Zeme a = 6400 km, po-

tom jej obvod je 2πa = 40 Mm a v podmienkach vákua bude frekvecia f = c2πa

= 7, 5 Hz,

£o je v pásme ELF (c = 3 × 108 ms−1).

Na²u planétu Zem môºeme chápa´ ako elektricky vodivú gu©u, ktorá je pokrytá

dielektrickou atmosférou. Hrúbka tejto obálky je podstatne men²ia ako polomer Zeme a.

Atmosférická vrstva do 30 km obsahuje takmer 99 % hmoty a iba 1 % atmosférických ply-

nov je nad touto vý²kou. Napriek tomu práve táto vysoká £as´ atmosféry je rozhodujúca

pri ²túdiu elektromagnetických javov. Prí£inou tohto faktu je výrazný nárast elektrickej

25

vodivosti vo vý²ke nieko©ko desiatok km. Vodivos´ vzduchu narastie o 6 rádov, ak sa dosta-

neme do oblasti ionosféry, ktorú tvorí plazma. Potom môºeme dielektrickú £as´ atmosféry

chápa´ ako tenkú vrstvu medzi relatívne dobrými vodi£mi: hornú hranicu tvorí ionosféra a

spodnú povrch Zeme. V tejto gu©ovej dutine sa môºu ²íri´ rádiové vlny rôzneho frekven£-

ného rozsahu. Ich hornú hranicu ur£uje vodivos´ plazmy, pretoºe táto sa stáva prieh©adnou,

ke¤ frekvencia elektromagnetických v¨n presiahne nieko©ko desiatok MHz. Av²ak dolná

frekven£ná hranica je rovná nule. Inými slovami v dutine sa môºu ²íri´ vlny nízkej frekven-

cie vrátane nulovej frekvencie, ktorej odpovedajú kon²tantné prúdy. Potom hovoríme, ºe

gu©ová vrstva Zem-ionosféra je gu©ový kondenzátor, ktorý je nabitý na potenciálový roz-

diel 300 kV a reprezentatívna intenzita pri povrchu je okolo 100 V m−1. Túto skuto£nos´

sme popísali v podkapitole 2.2. Sú£asne je v²ak dutina aj vlnovod. O vlnovode uvaºujeme,

ke¤ vlnová d¨ºka rádiovej vlny λ a. Termín rezonátor pouºijeme, ak vlnová d¨ºka λ

je pozorovnate©ná s obvodom Zeme, teda λ ≈ 2πa.

V r. 1952 nemecký fyzik Winfried Otto Schumann matematicky dokázal, ºe dutina musí

ma´ okrem vlastností vlnovodu aj vlastnosti rezonátora. Kaºdý rezonátor, napr. mecha-

nický excitovaný zvukovými vlnami alebo elektromagnetický excitovaný rádiovými vlnami,

má svoje rezonan£né frekvencie, ktoré sú ur£ené geometrickými rozmermi rezonátora a

vlastos´ami jeho hraníc. Rádiová vlna, ktorá sa ²íri v dutine pozd¨º povrchu Zeme sa

môºe vráti´ do za£iato£ného bodu a pokia© fázový rozdiel je celo£íselným násobkom

2π, vzniká stojatá vlna v dôsledku kon²truktívnej interferencie. Rovnaká situácia môºe

nasta´, ke¤ interferujú dve postupné vlny ²íriace sa v opa£ných smeroch. Takto vznikajú

pozd¨ºne rezonan£né módy. Ak sa vlna ²íri v dutine v radiálnom smere medzi povrchom

Zeme a ionosférou, vzniká transverzálny rezonan£ný mód. Schumannove rezonancie sú lon-

gitudinálne (pozd¨ºne) módy.

Vo vynikajúcej monograi autorov Nickolaenko a Hayakawa (2002) je uvedený ve©mi

podrobný popis metematického odvodenia rezonan£ných frekvencií. Relatívne najjedno-

duch²í je model sférickej vrstvy s nekone£ne elektricky vodivými hranicami, Pri rie²ení

sústavy Maxwellových rovníc je výhodné rozloºi´ pole na dve parciálne £asti: transver-

zálnu elektrickú £as´ TE (radiálna zloºka Er je nulová) a transverzálnu magnetickú £as´

TM (radiálna zloºka Hr je nulová). Úloha vedie k rie²eniu Helmholtzovej rovnice metódou

separácie premenných. W. O. Schumann (1952) túto úlohu rie²il a pre TM -mód, ktorému

26

3.1. ZÁKLADNÉ CHARAKTERISTIKY SCHUMANNOVÝCH REZONANCIÍ

odpovedajú vy²²ie spomenuté pozd¨ºne módy. Na²iel podmienku pre rezonan£né frekvencie

fn =c

2πa

√n(n+ 1) , (3.1)

kna =√n(n+ 1) , (3.2)

kde fn a kn sú frekvencia a vlnové £íslo n-tého rezonan£ného módu. Ak do vz´ahu (3.1)

dosadíme n = 1, 2, ..., dostaneme f1 = 10.6 Hz, f2 = 18.3 Hz, f3 = 25.9 Hz, at¤. Vz´ah

3.1 a 3.2 obsahuje len d¨ºku rovníka Zeme 2πa. Schumannova rezonancia vznikne, ke¤

postupujúca vlna pozd¨º povrchu má pri kaºdom návrate fázový posun rovný násobku

2π. Táto vlastnos´ bola pri odvodení (3.1) pouºitá, pri£om rie²enie úlohy bolo realizované

v gu©ových súradniciach (r,ϑ,ϕ). Pre nekone£ne vodivé hranice má elektrické pole len

radiálnu zloºku Er, ktorá je kolmá na hranice a odpovedajúce magnetické pole má iba

horizontálu zloºku Hϕ. Takáto TM -vlna sa nazýva transverzálna elektromagnetická vlna

TEM. Neskôr Bliokh et al. (1980) odvodil exaktnej²í vz´ah

kna =

√n(n+ 1)

[1 − h

a

], (3.3)

kde h je vý²ka ionosféry (hrúbka dutiny). Vy²²ie uvedené vypo£ítané rezonan£né frekvencie

v²ak nesúhlasia s neskôr experimentálne ur£enými. Prvá experimentálna verikácia bola

publikovaná v práci Balser, Wagner (1960). Meranie na observatóriu vo West Greenwich

(Rhode Island, USA) preukázali v spektre v pásme ELF spektrálne píky na frekvenciách

pribliºne 7.8, 14.1, 20 a 26 Hz. Tento rozpor moºno jednozna£ne vysvetli´ skuto£nos´ou, ºe

reálny prírodný rezonátor nemá nekone£ne elektricky vodivé hranice, ako sa predpokladalo

v modeli dutiny. Polia postupnej vlny prenikajú do ionosféry a taktieº pod povrch Zeme.

H¨bku prieniku ur£uje skin-h¨bka

δ =

√2

ωσµ, (3.4)

kde µ = µ0 = 4π× 10−7 Hm−1, ω je uhlová frekvencia a σ je merná vodivos´. Pre morskú

vodu (σ .= 3.3 Sm−1) a pre ω = 2πf , kde f = 10 Hz, je δ rádu 80 − 100 m. Pre vlhkú

pôdu (σδ .= 0.1 Sm−1) to bude rádovo 500 m a pre skalný masív (σ .

= 0.003 Sm−1) je δ

rádu 3−5 km. Napokon pre ionosféru, ak uvaºujeme skalárnu vodivos´ (v skuto£nosti je to

tenzorová veli£ina v dôsledku existencie geomagnetického po©a), bude prienik 10− 15 km.

Rezonátor Zem-ionosféra teda nie je ideálny. Ak by sme uvaºovali jeho reálne vlast-

nosti hraníc, tak jeho komplikovanos´ stále nie je ukon£ená. Dutina nie je rovnako hrubá

27

v dôsledku asymetrie de¬-noc, do úvahy musíme zobra´ geomagnetické pole, v ktorom sa

rezonan£né píky nemerate©ne ²tiepia (podobne ako pri Zeemanovom jave), ionosféra má

nehomogenity v polárnych oblastiach a napokon samotný povrch Zeme je nehomogénny

vo vodivosti. V²etky tieto aspekty mimoriadne komplikujú exaktný výpo£et rezonan£ných

frekvencií. Monograa Nickolaenkko, Hayakawa (2002) v²ak dáva odpove¤ aj na tieto re-

álnej²ie modely.

W. O. Schumann okrem výpo£tu modelových rezonan£ných frekvencií odpovedal aj

na otázku, £o vlastne rezonátor excituje. Prí£inou excitácie je globálna búrková aktivita.

Bolo odhadnuté, ºe v kaºdom £ase sa v troposfére vyvýja asi 2000 búrkových ohnísk a glo-

bálny po£et bleskov má hodnotu asi 100 za sekundu. Identikova´ moºno tri hlavné centrá

bleskovej aktivity - centrálna a juºná Afrika, centrálna a juºná Amerika a juhovýchodná

Ázia (India, Indonézia). Náhodné nekoherentné bleskové výboje vytvárajú v dutine integ-

rálnu odozvu, ktorá vytvára schumannovské pozadie.

Obr. 3.1: Aktivita výbojov za obdobie apríl 1995 aº február 2003.

Na obr. 3.1 je vyhodnotená aktivita výbojov za obdobie apríl 1995-február 2003. Farebná

²kála udáva po£et bleskov za rok na 1 km2. Mapa vznikla na základe satelitných pozo-

rovaní v optickej oblasti na satelite OTD (Optical Transient Detector, v r. 2000 ukon£il

prevádzku) a na zariadení LIS (Lightning Image Sensor), ktorý pracuje, ale monitoruje

28

3.1. ZÁKLADNÉ CHARAKTERISTIKY SCHUMANNOVÝCH REZONANCIÍ

len rovníkové oblasti.

Elektromagnetické vlny v pásme ELF majú jednu významnú vlastnos´, ktorá umoº-

¬uqje sledova´ aktivitu atmosférických výbojov v globálnom celozemskom rozsahu. Po£as

²írenia v dutine Zem-ionosféra majú výnimo£ne malý útlm. Vlna s frekvenciu 10 Hz sa

v amplitúde zoslabí o 0.2 − 0.3 dB na 1000 km. To znamená, ºe po prechode po celom

obvode Zeme, bude zoslabenie amplitúdy 8 dB, teda klesne na 40 % za£iato£nej hodnoty.

Na frekvencii 60 Hz je tento útlm okolo 1 dB/1000 km. Slabý útlm ELF/VLF v¨n v re-

zonátore zabezpe£í, ºe meranie rezonancií na danom mieste nemá iba lokálnu platnos´,

ale odráºa globály stav excitácie rezonátora a stav jeho hraníc v danom £ase. To samoz-

rejme neznamená, ºe záznam merania napr. vertikálnej elektrickej zloºky Ez v pásme ELF

bude rovnaký na rôznych miestach Zeme. Priestorové rozloºenie elektrických a magnetic-

kých polí v rezonátore je závislé od vzdialenosti zdroj-pozorovate© (SOD, source-observer

distance). Ak by sme uvaºovali jediný vertikálny výboj, tak elektromagnetické polia ním

vyºiarené závisia od hodnoty prúdového momentu Mc(t). Na obr. 2.3b sme uviedli stav

prúdu v kanáli spätného úderu v rôznych £asoch, ke¤ sa pozd¨º kanála ²íri prúdová vlna.

Prúdový moment Mc(t) je denovaný ako integrálna veli£ina okamºitého priestorového

rozloºenia prúdu v danom £ase

Mc(t) =

∫ H(t)

0

I(z, t) dz , (3.5)

kde H(t) je vý²ka, do ktorej sa prúdová vlna dostala. Prúdový moment zrejme moºno

vyjadri´ aj vo frekven£nej oblasti Mc(ω). Potom, ak má výboj prúdový moment Mc(ω)

a symbolom γ ozna£íme komplexnú kon²tantu ²írenia, potom radiálna elektrická zloºka

Er(ω) a horizontálna magnetická zloºka Hϕ(ω) elektromagnetickej TEM-vlny budú pod©a

Nickolaenko, Hayakawa (2002) dané vz´ahmi

Er(ω) = −Mc(ω)

4πεha

iv(v + 1)

ω

∞∑n=0

(2n+ 1)Pn(cos θ)

n(n+ 1) − ν(ν + 1), (3.6)

Hϕ(ω) =Mc(ω)

4πεha

∞∑n=1

(2n+ 1)

n(n+ 1) − ν(ν + 1)P 1n(cos θ) , (3.7)

kde Pn(cos θ) sú Legendrove polynómy a ur£ujú priestorové rozloºenie polí pozd¨º polud-

níkov, ak predpokladáme, ºe výboj bol lokalizovaný na severnom geograckom póle .

29

Na obr. 3.2 uvidíme priestorové rozloºenie elektrickej a magnetickej zloºky rezonancií pre

²tyri frekvencie Schumannových rezonancií. Vidíme, ºe Legendrove polynómy ur£ujú uzlové

priamky, kde je pole nulové a stav polí od individuálneho výboja je rôzny v rôznych mies-

tach pozorovania (pre dostato£ne vzdialené pozorovacie miesta).

Obr. 3.2: Priestorové rozloºenie elektrických a magnetických polí pre módy Schumanno-

vých rezonancií ak individuálny atmosferický výboj je umiestnený na severnom póle.

Na dvoch blízkych meracích staniciach (100-300 km vzdialených) bude odozva glo-

bálnej búrkovej aktivity ve©mi podobná. Na obr. 3.3 vidíme záznam vertikálnej elektrickej

zloºky nameranej na Astronomickom a geozikálnom observatóriu FMFI UK (AGO) a

observatóriu Geodetického a geofyzikálneho ústavu Ma¤arskej akadémie vied v Nagy-

cenku (NCK). Vzdialeno´ oboch observatórií je asi 90 km. Na hornej £asti obrázku je zá-

znam tranzientu, Q-burstu, ktorý bol odozvou obzvlá²´ silného +CG výboja (14.6. 2006, o

23:35 UT) a v ¤al²ích £astiach sú záznamy integrálnej odozvy celého systému nekoherent-

ných náhodných výbojov v priestore a £ase, ktoré vytvárajú tzv. schumannovské pozadie.

Ak sú meracie miesta vzdialené o násobky 1000 km, tak budú záznamy rôzne a dokonca

aj ich spektrálny obsah sa bude nepatrne lí²i´.

Slabý útlm v pásme ELF umoº¬uje zachyti´ odozvu aj ve©mi silných bleskov, ktoré

svoju individualitu presadia v zázname, majú 3 a viackrát silnej²ie amplitúdy vo£i po-

zadiu a svojou signatúrou môºu by´ v zázname rozpoznate©né. Pokia© meriame elektrickú

a dve horizontálne magnetické zloºky, tak je moºné vypo£íta´ Poyntingov vektor, kto-

rého smer ur£uje smer silného blesku. Sú metódy, pomocou ktorých analýzou záznamu

30

3.1. ZÁKLADNÉ CHARAKTERISTIKY SCHUMANNOVÝCH REZONANCIÍ

tranzientu v troch zloºkách moºno ur£i´ nielen smer, ale pribliºne aj vzialenos´ silného

individuálneho blesku.

Obr. 3.3: asový priebeh signálov zloºky SchR na dvoch blízkych observatóriách: AGO

(bodkovaná £iara) a NCK (plná £iara). V hornom páse je záznam tranzientu, Q-burstu,

ostatné £asti sú záznamy schumannovského pozadia pred a po Q-burste zo d¬a

14.6. 2006 o 23:35 UT.

Teoretická a experimentálna analýza vyºiarenej elektromagnetickej energie ukázala,

ºe atmosférický výboj vyºaruje maximum energie a frekvenciách 20-100 kHz a v pásme

ELF je vyºiarená energia o 3-4 rády niº²ia. Siete radarov, ktoré sú schopné identikova´

jednotlivé blesky a vedia ur£i´ pozíciu blesku, jeho polaritu a prúd v spätnom údere, preto

pracujú v oblasti kHz - frekvencií. Na týchto frekvenciách je v²ak útlm podstatne v䣲í ako

v pásme ELF, preto ak£ný rádius radarových systémov je obmedzený. Meracie systémy na

druºiciach/satelitoch (OTD, LIS) pracujú obvykle v optickej oblasti a monitorujú v danom

£ase len obmedzenú plochu zemského povrchu. Meracie systémy, ktoré pracujú v pásme

31

ELF s relatívne nízkym útlmom vyºiarenej energie, sú preto ve©mi výhodné pre sledovanie

a zachytenie obzvlá²´ silných bleskov v globálnom meradle bez oh©adu na to, kde je systém

merania umiestnený. Tieto fyzikálne argumenty umoc¬ujú význam staníc, ktoré monito-

rujú Schumannove rezonancie, pretoºe v pásme ELF sú zapísané silné blesky v princípe

z akejko©vek vzdialenosti od miesta pozorovania.

Ako sme uviedli v predchádzajúcej £asti tejto práce, Schumannove rezonancie sú

vlastné módy dutinového rezonátora Zem-ionosféra. Rezonátor je excitovaný atmosferic-

kými výbojmi v planetárnom rozsahu. V pásme ELF je vyºiarená nepatrná £as´ energie,

£o podmie¬uje nízku intenzitu polí vlastných módov SchR. Intenzita elektrického po©a je

rádovo 10−7 V m−1 a magnetická indukcia rádovo 10−3 T (0,1 pT ), £o je o 8 rádov menej

ako priemerná indukcia geomagnetického po©a. tandardne sa meria vertikálna elektrická

zloºka Ez pomocou kapacitných gu©ových antén (ball antenna) a dve horizontálne mag-

netické zloºky (NS, EW), pomocou induk£ných antén. Prijímaciu anténu pre elektrickú

zloºku Ez tvorí vodivé teleso obvykle v tvare gule s priemerom pribliºne 0.5 m, ktoré je

upevnené na izolovanom stoºiari vo vý²ke 3 − 5 m nad terénom. Vodivé teleso kapacitnej

antény tvorí spolu s uzem¬ovacími doskami zakopanými v pôde pod základ¬ou antény

kondenzátor s kapacitou 50-100 pF , na ktorom vznikne ú£inkom striedavého vertikálneho

po©a napätie rádu 10−6 − 10−7 V , ktoré je zosilnené na úrove¬ jednotiek voltov. Do me-

racej sekvencie bývajú zaradené analógové ltre, ktoré odstránia ru²ivé zloºky sie´ového

napájania (50 Hz, resp. niekde 60 Hz) a následne sa signál digitalizuje vhodným A/D

prevodníkom. Vzorkovacie frekvencie sú na rôznych staniciach rôzne. asto sa pouºíva

vzorkovacia frekvencia rádovo 100-200 Hz, niektoré stanice pouºívajú aº 4000 Hz. Preno-

sové charakteristiky meracej aparatúry sa volia v rozsahu 0-40 Hz, £o je schumannovské

pásmo. Niektoré stanice volia ²irokopásmové aparatúry aº do oblasti kHz.

Magnetické zloºky SchR sa snímajú na cievkach s ve©kým po£tom závitov (rádovo

105 − 106) závitov. Cievky sú osadené na feromagnetické jadrá (transformátorové plechy,

niekde aj permalloy). Napätie indukované po©om SchR do vinutia sníma£a je spravidla

rádu 10−7 V , ktoré zosilní predzosil¬ova£ a ¤al²ie spracovanie signálu je podobné sko pre

vertikálnu elektrickú zloºku. Na v䣲ine staníc vo svete je £as merania ur£ovaný cez GPS

anténu a uvádza sa v UT.

Po£et staníc, ktoré permanentne snímajú elektrické a magnetické zloºky SchR nie

je ve©ký. Napriek tomu, ºe meracie senzory moºno skon²truova´ aj v takmer amatérskych

32

3.1. ZÁKLADNÉ CHARAKTERISTIKY SCHUMANNOVÝCH REZONANCIÍ

podmienkach, kvalitné merania v pásme ELF vyºadujú trvalej²iu a systematickú údrºbu

meracej aparatúry. Nie v²etky stanice merajú v²etky 3 zloºky SchR (EZ , HWE, HNS).

Vo svete je asi 30-40 permanentných staníc s rôznou d¨ºkou kontinuálneho merania. Nie-

ko©ko staníc je umiestnených v oblastiach s ve©mi nízkym antropogénnym ²umom a po-

ruchami (Antarktída, pitzbergy, Grónsko). Stanice v civilizovanej²ích oblastiach majú

obvykle uºito£ný signál SchR kontaminovaný umelými poruchami technologického cha-

rakteru. Meranie tieº významne ovplyv¬uje blízka vegetácia (vysoké stromy a dokonca aj

vysoká tráva napr. v okolí antény pre meranie Ez). Lokálne meteorologické podmienky,

najmä vietor, silne kontaminuje signál, pretoºe pohyb konárov a vlhkých listov na stromoch

deformuje prijímaný signál elektrickej zloºky. Izolované stoºiare musia by´ dostato£ne ro-

bustné, pretoºe kývanie kapacitnej gu©ovej antény v dôsledku vetra by úplne znehodnotilo

meranie. Magnetické antény-induk£né cievky musia by´ tieº odolné vo£i otrasom. Na via-

cerých staniciach sú zakopané tesne pod povrchom.

Na Astronomickom a geofyzikálom observatóriu FMFI UK v Modre-Piesky bola vy-

budovaná aparatúra pre meranie vertikálnej elektrickej zloºky. V nasledujúcej podkapitole

je podrobnej²í opis meracej zostavy. Najbliº²ie iné ELF-stanice pre monitorovanie SchR sú

v ma¤arskom Nagycenku ne¤aleko mesta Sopron. V Po©sku je stanica v oblasti Hylaty (po-

hrani£ná juho-východná £as´ Po©ska), ¤alej v Belsku a pracovníci akadémie vied z Po©ska

prevádzkujú aj stanicu na pitzbergoch. Z najznámej²ích vzdialenej²ích spome¬me stanicu

Mitzpe Ramon v Izraeli, stanicu v Rhode Island v USA a stanicu Lechta v Rusku na poloos-

trove Kola. V²etky stanice prevádzkujú pracovníci univerzitných a vedecko-akademických

in²titúcií.

Základou metódou spracovania digitalizovaných záznamov je ur£enie spektrálnych

charakteristík jednotlivých píkov SchR. Pretoºe dutinový rezonátor je nedokonalý v dôs-

ledku nevodivých a nehomogénnych hraníc, je teda stratový a nekvalitný, budú spektrálne

charakteristiky tieto vlastnosti odráºa´. Pouºijúc metódy diskrétnej Fourierovej transfor-

mácie (DFT) ako primárnej metódy spracovania, obvykle musí nasledova´ ¤al²ie spracova-

nie v spektrálnej oblasti, teda postprocesing. al²ie spracovanie spektier spo£íva v ur£ení

centrálnej frekvencie SchR-píku fn (n=1,2,3,...), jeho amplitúdy A a ²írky píku. tandardne

sa k tomu vyuºíva metóda tovania píkov Lorentzovými funkciami, v tvare ktorých sú re-

zonan£né píky akéhoko©vek rezonátora. Z aproximácíí prvkov týmito funkciami moºno

ur£i´ centrálnu frekvenciu a amplitúdu a pokia© spracovávame výkonové spektrá, tak ²írka

33

píku v polovi£nej hodnote maxima píku ur£uje aj koecient kvality Q. Hodnoty kone-

cientu kvality Q odráºajú kvalitu rezonátora ako celku a v prípade dutiny Zem-ionosféra

sú men²ie ako 10, £o sú ve¨mi nízke honoty oproti technickým rezonátorom. Na obr. 3.4 je

ukáºka tovania surového (raw) spektra SchR, ktoré bolo najskôr upravené metódou k¨za-

vých priemerov. Hladké trhané £iary predstavujú jednotlivé lorentziány a zelená trhaná

£iara je ich sú£et.

Obr. 3.4: Spektrum SchR vzniknuté pouºitím metódy tovania píkov Lorentzovými fun-

kciami.

Amplitúdy spektrálnych píkov ovplyv¬uje najmä stupe¬ aktivity bleskových výbo-

jov. Zmeny v kvalite hraníc (najmä hornej ionosférickej hranice) ovplyv¬ujú frekvencie

píkov a ich koecienty kvality. Beºné meranie schumanovského pozadia poskytne prvý

základný pík f1 a nanajvý² ¤al²ie 2-4 píky. Ich rezonan£né frekvencie majú denný chod,

vykazujú sezónne variácie a medziro£né variácie. Rozsah maximálnej a minimálnej hod-

noty frekvencie po£as d¬a (ur£uje sa hlavne pre prvý mód) sa nazýva denný frekven£ný

rozsah (DFR-daily frequency range) a jeho sezónne zmeny po£as roka sú úmerné rozsahu

búrkovej aktivity hlavne v tropických oblastiach. Treba zdôrani´, ºe zmeny frekvencie po-

£as d¬a alebo zmeny vystredovaných frekvencií po£as mesiaca dosahujú hodnoty nanajvý²

desatiny Hz. Identikovaný bol aj pokles rezonan£ných frekvencií prvých módov smerom

k poklesu slne£nej aktivity. Tento fakt opä´ súvisí so stavom vodivosti ionosféry.

34

3.2. MERANIE VERTIKÁLNEJ ELEKTRICKEJ ZLOKY SCHR NA AGO

3.2 Meranie vertikálnej elektrickej zloºky SchR na AGO

Na Astronomickom a geofyzikálnom observatóriu FMFI UK (AGO) bola dokon£ená

kon²trukcia antény pre príjem elektrickej zloºky po©a SchR v r. 2001. Anténu, zosil¬ova£

a 50 Hz-lter navrhli pracovníci oddelenia fyziky Zeme KAFZM FMFI UK. Na obr. 3.5 je

anténa, v ktorej funkciu aktívnej elektródy tvorí hliníkový pivový sud. Stoºiar antény má

vý²ku 5.5 m a je kombinovaný z dvoch keramických vysokoodporových izolátorov a dvoch

blokov plastu Erlaton, ktoré boli po obvode dráºkované tak, aby daº¤ová stekajúca voda

nemohla vytvori´ súvislú vrstvu. Inak by sa zníºil odpor stoºiara a uºito£ný potenciálový

rozdiel medzi elektródou a uzem¬ovacími pozinkovanými oce©ovými doskami pod povr-

chom zeme by sa vyskratoval, £o by úplne znemoºnilo akéko©vek meranie.

Obr. 3.5: Anténa pre príjem elektrickej zloºky po©a SchR na Astronomickom a geofyzi-

kálnom observatóriu FMFI UK (AGO) v Modre.

Vnútornou £as´ou stoºiara vedie od elektródy izolovaný kábel, ktorý je napojený na vstup

zosil¬ova£a. Zosil¬ova£ je umiestnený v skrinke pri päte antény. Do skrinky je z Geomagne-

tického pavilónu dovedené napájacie napätie pre zosil¬ova£ zo stabilizovaného zdroja ±15

35

V . Prvý zosil¬ovací stupe¬ tvorí elektrometrická elektrónka, ktorá je odolná vo£i prepä-

tiam v dôsledku ve©mi blízkych bleskov a tvorí tak sú£asne ochranu ¤al²ích zosil¬ovacích

stup¬ov. Po zosilnení je signál vedený tou istou trasou do Geomagnetického pavilónu, kde

prechádza cez dva 50 Hz-ltre (notch lter). Signál je potom cez tienený kábel vedený do

hlavnej budovy observatória po 150 m dlhej trase. Tam vstupuje do 16-bitového A/D pre-

vodníka s nastavenou vzorkovacou frekvenciou 200 Hz. Digitalizované údaje sú ukladané

na HD-riadiaceho po£íta£a s uvedenou hodnotou v arbitrary units (a.u.). Hodnota 0000

reprezentuje -2.5 V , 32768 reprezentuje 0 V a 65536 odpovedá +2.5 V .

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

03241630

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

68 70 72 74 76

ampl

[a.u

.]

cas [s]

10s usek 03241630

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

5 10 15 20 25 30 35 40 45am

pl^2

[a.u

.]frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 03241630

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04010042

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

238 240 242 244 246

ampl

[a.u

.]

cas [s]

10s usek 04010042

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

5 10 15 20 25 30 35 40 45

ampl

^2 [a

.u]

frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 04010042

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04031818

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

138 140 142 144 146 148

ampl

[a.u

.]

cas [s]

10s usek 04031818

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

5 10 15 20 25 30 35 40 45

ampl

^2 [a

.u.]

frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 04031818

Obr. 3.6: 3 meracie sekvencie, v prvom st¨pci je zobrazená celá sekvencia merania, v pro-

strednom je 10 s úsek s vidite©ným samostatným tranzientom, v poslednom je zobrazené

výkonové spektrum. Posledný záznam je mierne saturovaný.

Pri spracovaní digitalizovaného výstupu (spektrálna analýza) sa obvykle pouºívajú a.u.,

36

3.2. MERANIE VERTIKÁLNEJ ELEKTRICKEJ ZLOKY SCHR NA AGO

nie je v²ak problém a.u. prepo£íta´ na volty. D¨ºka meracej sekvencie je 327.68 s (=5,46

min). Do mája 2006 bolo meranie spú²´ané kaºdú polhodinu, od mája 2006 kaºdých 6 mi-

nút v rovnakej d¨ºke 5.46 min., £o znamená, ºe bolo takmer kontinuálne. Systém merania

teda kaºdú hodinu uloºil 10 meracích sekvencií a za de¬ 240 sekvencií.

Na obr. 3.6 a obr. 3.7 uvádzame príklady ²iestich meracích sekvencií. Meracia sek-

vencia je ozna£ená ôsmimi £íslami: prvé dve ozna£ujú mesiac, ¤al²ie dvojice de¬, hodinu

a minútu, ke¤ bolo meranie spustené. V kaºdom vodorovnom rade je zobrazená celá me-

racia sekvencia (£ervená), ¤alej je uvedený 10 s úsek, ktorý je vybraný tak, aby v ¬om bol

vidite©ný tranzient (Q-burst) s ve©kou amplitúdou (zelená) a napokon je zaradené v po-

sledných st¨pcoch výkonové spektrum z celej sekvencie v rozsahu 5-45 Hz (pre vzorkovaciu

frekvenciu 200 Hz je rozsah vypo£ítaného spektra 100 Hz).

Uvedené obrázky dokumentujú rôznorodos´ namaraného SchR signálu. Sekvencia

04181624 odpovedá ve©mi naru²enému signálu v dôsledku nepriaznivých lokálnych pod-

mienok (silný vietor). Signál je po výstupe z A/D prevodníka silne saturovaný. Obvykle z

takýchto záznamov nemoºno získa´ ºiadnu informáciu o SchR a ani o tranzientoch, pretoºe

sa nemajú kde zachyti´ . Po£íta£ový kód na vyh©adávanie tranzientov v dôsledku silných

bleskov (pozri nasledujúcu kapitolu) obvykle na²iel extrémne málo (2-3) tranzientov, preto

boli tieto záznamy z analýzy vyra¤ované. Záznam 04031818 má saturovanú len £as´ zá-

znamu. V spektrách z dobrých záznamov vidíme dominantný prvý SchR-mód pribliºne

v 7.8 Hz, ¤al²ie 2-4 píky odpovedajú pribliºne frekvenciám 14, 21, 26 a 32 Hz. Obvykle

v spektrách saturovaných záznamov nie je moºné nájs´ ºiaden SchR-pík. V spektrách zo

záznamov 04010042 a 04131618 je jasne vidite©ný úzky pík na frekvencii 16.67 Hz,

ktorý je spôsobený prevádzkou rakúskych ºelezníc (OBB), ktoré pouºívajú lokomotívy

s frekven£nými meni£mi na 50/3 Hz.

37

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04131618

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

186 188 190 192 194

ampl

[a.u

.]cas [s]

10s usek 04131618

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

5 10 15 20 25 30 35 40 45

ampl

^2 [a

.u.]

frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 04131618

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04131730

18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

290 292 294 296 298 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

10s usek 04131730

0

200

400

600

800

1000

1200

5 10 15 20 25 30 35 40 45

ampl

^2 [a

.u]

frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 04131730

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04181624

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

150 152 154 156 158 160

ampl

[a.u

.]

cas [s]

10s usek 04181624

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

5 10 15 20 25 30 35 40 45

ampl

^2 [a

.u.]

frekvencia [Hz]

vykonove spektrum 04181624

Obr. 3.7: 3 meracie sekvencie, v prvom st¨pci je zobrazená celá sekvencia merania, v pro-

strednom je 10 s úsek s viacerými tranzientami, v poslednom je zobrazené výkonové spek-

trum. Posledný vodorovný záznam je ve©mi saturovaný.

38

4Sprajty (sprites)

Vlastnosti sprajtov a ich moºné fyzikálne vysvetlenie

V posledných 20 rokoch je mimoriada pozornos´ vedcov z oblasti atmosférickej elek-

triny sústredená na tranzientné svetelné javy (TLEs-transient luminous events), ktoré sa

objavujú nad rozsiahlimi búrkovými mezo²kálovými systémami v stratosfére a mezosfére.

Stratosféra siaha od vrchnej troposféry (20 km) po spodnú ionosféru (50 km), mezosféru

tvorí ionosféra v rozsahu 50-90 km, sú£as´ou ktorej je tzv. D-vrstva a £as´ E-vrstvy. le-

nenie vysokej atmosféry na tieto vrstvy ur£uje priebeh teploty a koncentrácia vo©ných

elektrónov.

Javy TLE súvisia s búrkami a bleskami. Prejavujú sa v troch formách: sprajty, elves

a blue jets . Naj£astej²ie a najznámenj²ie sú sprajty, ozna£ované tieº ako £ervené sprajty.

Na obr. 4.1 sú znázornené tieto tri formy javov TLE s uvedením ich dôb trvania a oblas-

´ami výskytu.

Najkrat²iu dobu trvania majú eleves (Emission of Light and VLF perturbations

due to Electro-magnetics Pulse Source). Vo fáze najv䣲ieho jasu trvajú < 1 ms a nie

sú vo©ným okom postrehnute©né. Vyskytujú sa vo vý²kach 75-105 km (ionosféra) v tvare

disku o rozmeroch 100-300 km. Obvykle boli asociované s ve©mi silným +CG bleskom (150

kA v spätnom údere) a zv䣲ujú sa v laterálnom smere rýchlos´ou > c. Najpravdepodob-

nej²ou prí£inou úkazu je zohrievanie vo©ných elektrónov v spodnej ionosfére v dôsledku

EM-pulzu od blesku a následné excitovanie molekúl. Pulz v tvare gu©ovej vlny dosiahne

39

spodnú ionosféru za asi 350 µs rýchlos´ou < c, ale priese£ník vlnoplochy s hranicou iono-

sféry sa ²íri rýchlos´ou < c. Niekedy sa po vzniku ELVE objaví za nieko©ko ms sprajt.

Obr. 4.1: Tri formy javov TLE: sprajty, elves, blue jets.

Svete©né úkazy blue jets sa objavujú priamo nad mra£nom. Majú tmavo-modrú

farbu, trvajú aº do 250 ms, majú kónický tvar v tvare kyjaku s uhlom asi 15. Útvar ras-

tie nahor rýchlos´ou 75-220 km/s, dosahuje vý²ku 40-50 km, je kvázi-vertikálny a nie je

v smere geomagnetického po©a. Nebola dokázaná ºiadna väzba týchto javov s konkrétnym

bleskom, £o je podstatný rozdiel oproti sprajtom a ELVE.

Naj£astej²ie z javov TLE sa vyskytujú sprajty. Majú rôzne tvary, £asto v tvare

mrkvy , v tvare st¨pcov alebo chobotnice (jelly-sh). Útvar sa obvykle objaví v roz-

sahu 40-90 km, má ²írku 25-50 km a jeho men²ie st¨pce majú rozmer asi 2 km. Úkaz trvá

5-300 ms a je vidite©ný vo©ným okom. Asociované boli s +CG bleskami. asový odstup

od rodi£ovského blesku je 1.5-4 ms. Sprajt nemusí by´ priamo nad bleskom, ale môºe

by´ aj posunutý. Frekvencia výskytu bola odhadnutá v pomere 1 sprajt na 20-30 +CG

bleskov. Na sprajty dávno upozor¬ovali piloti lietadiel ale, prvý sprajt bol nasnímaný

svetlo-citlivou kamerou aº 6.7. 1989 v USA. Od 90-tych rokov sa organizujú pozorovacie

40

kampane sprajtov nielen v USA ale aj v Európe. Na internete moºno nájs´ výsledky týchto

kampaní a mnoºstvo ukáºok. Na obr 4.2a uvádzame ukáºku prvého sprajtu nasnímaného

vo farbe. Ostatné ukáºky nasnímal amatérsky astronóm Martin Popek z eskej republiky.

V²etky sú z leta roku 2011.

(a) (b)

(c) (d)

Obr. 4.2: Ukáºky sprajtov, prvý sprajt je vôbec prvý sprajt nasnímaný vo farbe, ostatné

nasnímal Martin Popek z eskej republiky.

Na AGO FMFI UK bol v r. 2007 nain²talovaný automatický celooblohový TV sys-

tém (objektív sh-eye Canon, kamera Watec), ktorý je ur£ený na astronomické pozorovanie

a detekciu pohyblivých objektov, hlavne jasných meteoritov-bolidov. Systém je schopný

nasníma´ aj sprajty, pri£om primárne nie je ur£ený na ich sledovanie. Týmto TV sys-

témom bolo zachytených ve©a sprajtov. Na obr. 4.3 uvádzame nieko©ko ukáºok sprajtov

41

zachytených a AGO po£as jednej noci 26.5. 2011 po 21:00 hodine. Sprajty sú zachytené

vo vonkaj²om obvode zorného po©a. Snímky sú uvedené v negatívnom formáte. Západný

a východný obzor je v normálnej orientácii, severná £as´ oblohy je smerom nadol. Sprajt

z 21:51:42 (vpravo dole) je ten istý, ktorý je na obr. 4.2d od M.Popeka (vpravo dole).

(a) (b)

(c) (d)

Obr. 4.3: Ukáºky sprajtov zaznamenaných automatickým celooblohovým TV systémom

nain²talovaným na AGO FMFI UK.

V centre záujmu odbornej verejnosti je ur£i´ k sprajtu rodi£ovský blesk. K tomu sa

vyuºívajú radarové záznamy bleskov na povrchu Zeme, ktoré umoº¬ujú zisti´ okrem pres-

ného £asu aj polaritu blesku a odhad prúdu v spätnom údere. K tejto kauzálnej analýze

sa pridáva analýza ELF-záznamov na staniciach monitorujúcich Schumannove rezonancie.

Úlohou tento analýzy je nájs´ Q-burst, ktorý odpovedá rodi£ovskému blesku pre sprajt.

Tieto kauzálne analýzy vyºadujú presné meranie £asu a v poslednom období sú publiko-

vané vo ve©kom po£te.

Iným podstatnej²ím problémom je vysvetlenie fyzikálneho mechanizmu vzniku spraj-

tov. peciálnymi kamerami sa sleduje ich jemná ²truktúra, ktorá nazna£uje strímrovú

42

²truktúru. Po£as sprajtu bolo sledované brzdné ºiarenie, ktoré nazna£uje vplyv relativis-

tických elektrónov pri vzniku sprajtu. Jeden z moºných fyzikálnych scenárov je scenár

ozna£ovaný ako QE a súvisí s kvázi-elektrostatickými poliami. Vieme uº, ºe v hornej £asti

oblaku je hlavný kladný objemový náboj. Ako odozva na¬ sa v atmosfére nad mra£nom

vytvorí tieniaci záporný náboj. Elektrické pole oboch nábojových systémov je slabé aº

do okamihu +CG-blesku. Tento intenzívne zníºi kladný náboj v mra£ne. Toto je rýchly

proces. Charakteristický £as rozpadu záporného polariza£ného náboja je v²ak podstatne

dlh²í a výsledkom je prudké zosilnenie elektrostatického po©a v objeme nad oblakom.

Toto pole je dostato£né na urýchlenie vo©ných elektrónov, ktoré vytvárajú podmienky pre

optickú emisiu, teda sprajt. Iný scenár uvaºuje vplyv kozmického ºiarenia a vznik elek-

trónových lavín energetických elektrónov. Pri ich dostato£nom po£te a dostato£ne ve©kom

QE-poli môºe by´ vyvolaná optická zráºková emisia. Tento scenár sa volá runaway air

breakdown.

Napriek tomu, ºe táto práca nemá za cie© podrobnej±ie analyzova´ sprajty zachytené

na AGO a h©ada´ k nim asociované tranzienty v ELF-záznamoch, povaºovali sme za vhodné

zaradi´ do textu aj problematiku sprajtov, pretoºe súvisia so silnými +CG-bleskami. V sú-

£asnosti sú sprajty dokonca zara¤ované ako integrálna sú£as´ globálneho elektrického ob-

vodu.

43

5Analýza tranzientov (Q-burstov) na AGO a

jej výsledky

5.1 ELF tranzienty (Q-bursty)

Induviduálne bleskové výboje v planetárnom rozsahu vytvárajú spojité ELF poza-

die, £asto ozna£ované ako schumannovské pozadie alebo ELF-rádiový ²um. V danom £ase

výboje vytvárajú nekoherentné náhodné zdroje a sú od seba nezávislé. Prirodzený rádiový

ELF ²um obsahuje tieº výrazné tranzienty nazývané Q-bursty. Tieto tranzientné pulzy

majú pôvod v menej £astých ale obzvlá²´ silných výbojoch, ktoré sa vyskytujú pribliºne

raz za minútu. Iné odhady uvádzajú po£et takýchto výbojov 100 sa hodinu. Q-bursty

presahujú ELF pozadie s faktorom 5-10, takºe vytvárajú v zázname distinktné signatúry.

Záujem o tieto rádiové signály narástol po objavení ich spojitosti s tzv. tranzientnými

svetelnými javmi (TLE-transient luminous events) v mezosfére nad ve©kými búrkovými

²truktúrami. Sú ozna£ované ako £ervené sprajty (red sprites) a môºu by´ pozorované v roz-

sahu vý²ok od 45 po 90 km. Q-bursty sú teda ve©ké elektromagnetické (EM) tranzientné

pulzy v ELF pásme. Sú to vlastne tlmené kmitania trvajúce 0.3 − 1.0 s s prevládajúcimi

schumannovskými frekvenciami 8 a 14 Hz. Aº 85 % pozorovaných bleskových výbojov,

ktoré produkujú Q-bursty, sú pozitívnej polarity a 15 % zápornej.

Q-bursty vznikajú v rozsiahlych mezo²kálových konvektívnych systémoch, MCS. Pre-

h©adne je problematika Q-burstov spracovaná v práci (Nickolaenko et al., 2010).

45

Obr. 5.1: Proces ²írenia vlny od zdroja-blesku.

Predpokladajme, ºe máme bodový vertikálny elektrický dipól, ktorý vyºiari krátky

pulz. Pre jednoduchos´ zdroj umiestnime na severnom póle v dutine Zem-ionosféra. Rá-

diový pulz sa od zdroja ²íri v²etkými moºnými smermi a vytvára kruhový front, ktorý sa

v dutine roz²iruje. Ke¤ prejde cez rovníkovú vzdialenos´ D = 10 Mm, za£ne sa kruºni-

cový front zmen²ova´ a fokusova´ do antipodálneho bodu vzh©adom na zdroj. Po fokusácii

energie vlny sa za£ne ²íri´ naspä´ nová kruhová vlna a po prechode cez rovník sa opä´

sfokusuje v pôvodnom bode, kde je zdroj, teda rodi£ovský blesk. V dutine bez akýchko©vek

strát by sa tento proces donekone£na opakoval, £o zrejme neodpovedá realite. Pri ²írení

vlny sú straty a taktieº prebieha disperzia, teda ²írka kruhovej vlny sa zv䣲uje, pretoºe

rôzne frekvencie obsiahnuté vo vlne majú rôzne fázové rýchlosti. Na obr. 5.1 sú tieto pro-

cesy ²írenia a fokusácie disperzie znázornené zmenou farby (men²ia amplitúda) a v䣲ím

rozmerom pulznej vlny (disperzia).

Vy²²ie popísaný proces ²írenia je iným spôsobom znázornenýna obr. 5.2. je na ¬om

symbol blesku a prijímacia anténa vo vzdialenosti D. Táto vzdialenos´ sa ozna£uje aj

skratkou SOD (Source-to-Observer Distance, vzdialenos´ zdroja od pozorovate©a) môºe

by´ ur£ená analýzou vlny elektrického po©a Q-burstu. Jeho záznam sa zobrazí ako séria

troch za sebou nasledujúcich pulzov. Prvý pulz prichádzajúci v £ase time 1 je priama

vlna od zdroja bleskového výboja, druhý pulz time2 je antipodálna vlna postupujúca

z druhej strany okolo zemegule. Tretí pulz s £asom time 3 je vlna ²íriaca sa okolo celej

zemegule v smere priamej vlny ako vidno z obr. 5.2. Po nameraní £asov 1, 2 a 3 je SOD

(D) daná vzorcom

46

5.1. ELF TRANZIENTY (Q-BURSTY)

Obr. 5.2: Schématický diagram sekvencie troch elektrických pulzov prichádzajúcich od

blesku k anténe okolo celej Zeme, (Ogawa, Komatsu, 2009).

D = 40(t3 − t2)

(t3 + t2), (5.1)

kde 40 je obvod Zeme v Mm, t3 = time3 − time1 a t2 = time2 − time1. Presnos´ £asov

je ±1 ms, £o je ekvivalentné vzdialenosti 0.13 Mm. Ak sa time 3 nedá na zázname

rozozna´, D môºeme vyráta´ pomocou rýchlosti ²írenia vlny (V ). Rýchlos´ vlny je daná

£asovým intervalom (t) medzi prvým a druhým píkom vlny zachytenej na zázname

V =40

t, (5.2)

rýchlos´ je v Mms−1 a £as t v sekundách. Vzdialenos´ zdroja od pozorovate©a potom

moºno vyráta´ ako

D = 20 − V T

2, (5.3)

kde T = t2, £as medzi priamym a antipodálnym pulzom.

V práci (Ogawa, Komatsu, 2007) autori navrhli klasikova´ Q-bursty do 4 tried

47

v závislosti na SOD. Merali vertikálnu elektrickú zloºku na meracej aparatúre, kde pou-

ºili gu©ovú anténu vo vý²ke 3.8 m nad povrchom, ²irokopásmovú registráciu aº do kHz

oblasti a A/D prevodník s 22 kHz vzorkovacou frekvenciou. Meracie miesto na stanici

Kochi má antipodálny bod v Brazílii, kde sa vytvárajú mezo²kálové konvektívne systémy

(MCS) búrok. Nameraný signál ltrovali ltrom v pásme 4-30 Hz a získali tak pre ana-

lýzu záznam, ktorý by nameralo observatórium s beºnou aparatúrou pre meranie SchR.

Výsledkom analýzy bol návrh klasikova´ Q-bursty na ²tyri rôzne typy pod©a charakteris-

tických morfologických znakov v zázname: V,W, V V (dve V) a trojpulzový typ.

Obr. 5.3: tyri typy Q-burstov zobrazené na ekvidi²tantnej mape, mapa platí pre obser-

vatórium v Kochi, Japonsko (Ogawa, Komatsu, 2009).

V²etky oblasti, z ktorých prichádzajú jednotlivé typy, sú zobrazené na obr. 5.3.

Naj£astej²í z nich bol W typ. Pík zmeny po©a pri type V bol v ²iroko-frekven£om pásme

rozdelený na dva malé píky. Úplne nerozdelený V typ by sa objavoval iba v prípade,

ak výboj nastal presne v antipodálnom bode. Typ dve V nasledujúce za sebou bol ¤al²ím

naj£astej²ie pozorovaným typom na observatóriu, ale zaznamenané vlny boli £asto ´aºko

rozpoznate©né. Trojpulzové typy boli tieº £asto pozorované, v䣲inou boli spájané so zá-

pornou polaritou. Bohuºial boli taºko presne identikovate©né, ke¤ºe druhý alebo ¤al²í

nasledujúci spätný úder zna£ne ovplyv¬ovali £as´ vlny druhého a tretieho pulzu.

Ak má blesk presne pozíciu v antipodálnom bode k meraciemu miestu, budú pri-

márna a antipodálna vlna zamenite©né a majú rovnakú dráhu 20 Mm k miestu pozoro-

vania. Ich superpozícia dá pulz v tvare V . Pre blesk v blízkosti antipodálneho bodu,

48

5.2. PROGRAMOVÝ BALÍK Q-BURSTFINDER

bude ma´ záznam primárnej a antipodálnej vlny tvar W a pozícia blesku je medzi 16-19

Mm. Za primárnou vlnou príde takmer ihne¤ antipodálna vlna, lebo majú takmer rov-

nakú dráhu. Blesky vo vzdialenosti 6-16 Mm vytvárajú záznam v tvare dvoch V V a

blesky do vzdialenosti 6 Mm od pozorovacieho miesta sú blízke . Primárna vlna príde

ve©mi skoro k pozorovate©ovi a antipodálna vlna musí prekona´ 35-40 Mm, £o pri typickej

rýchlosti ²írenia 265 000 km/s dáva £asový rozdiel medzi primárnou a antipodálnou vlnou

0.12-0.15 s. Primárna vlna sa môºe aj po jednom obehu do záznamu zapísa´ e²te raz ako

malý a ²ir²í pulz. Tak vzniká trojpulzový typ Q-burstu. Pri vzorkovacej frekvencii len 200

Hz nemoºno rozpozna´ W -typ. írka samotného prvého pulzu tieº môºe by´ v dôsledku

disperzie rôzna pre rôzne vzdialenosti SOD. Primárny pulz bude úzky pre bliº²ie blesky a

²ir²í pre blesky v antipóde.

Obzvlá²´ silné sú hlavne +CG výboje. Opa£ný smer prúdu v spätnom údere v −CGvýboji spôsobí opa£nú polaritu prvého pulzu. V beºnom SchR zázname vertikálnej elek-

trickej zloºky moºno teda ur£i´ aj polaritu silného výboja. V záznamoch na AGO silné

+CG výboje dávajú záporný prvý pulz, −CG výboje kladný pulz. Treba tieº zdôrazni´, ºe

samotný spätný úder, £o je rýchla prúdová zmena, nie je aº taký efektívny zdroj pre ELF

trazienty, ako sú jeho pokra£ovacie prúdy. Z uvedeného vyplýva, ºe tranzienty (Q-bursty)

sú ve©mi zaujímavé úkazy a má ve©ký význam ²tudova´ ich po£etnos´, morfologické znaky

a vz´ahy k svete©ným úkazom v mezosfére (TLE).

5.2 Programový balík Q-burstFinder

Záznamy vertikálnej zloºky a horizontálnej magnetickej zloºky v pásme ELF dovo-

©ujú ur£i´ prekvapivo ve©a informácií o individuálnych, obzvlá²´ silných bleskoch. Pod©a

práce (Ogawa, Komatsu, 2009), moºno z tvaru ELF tranzientu v elektrickej zloºke odhad-

nú´ vzdialenos´ rodi£ovského blesku pod©a morfologických znakov a £asových diferencií

pulzov v Q-burste. alej moºno ur£i´ polaritu blesku pod©a polarity primárneho pulzu

(závisí od kon²trukcie elektrickej £asti). Ak sú k dispozícii elektrické a magnetické zá-

znamy, je moºné výpo£tom Poyntingovho vektora ur£i´ azimut individuálneho silného

blesku a tieº vzdialenos´ blesku od miesta pozorovania. Bola vypracovaná metóda (Kemp,

1971), v ktorej analýza spektra elektrickej a magnetickej £asti a ich tzv. impedan£ného

49

spektrálneho pomeru (spektrum z E/spektrum z H) dáva odhad vzdialenosti Q-burstu.

Vzh©adom na to, ºe na AGO FMFI UK sa magentická £as´ nemeria, túto metódu nemoºno

aplikova´.

Pre analýzu Q-burstov je prvotná úloha tieto tranzienty v ELF-zázname najskôr

nájs´. Ideálna je situácia, ke¤ tranzient je osamotený a ©ahko rozpoznate©ný vizuálnou

kontrolou záznamu. Takéto ideálne situácie v realite v²ak ako pravidlo nenastávajú. Tran-

zienty sú naloºené na nízkofrekven£ný ²um (v dôsledku lokálnych podmienok na stanici,

n ajmä vetra), ¤alej sa môºu aj vzájomne prekrýva´, môºu by´ ich signatúry oplyvnené

aktivitou beºných bleskov. Z týchto argumentov vyplýva ve©mi rôznorodý zápis tran-

zientu do ELF-záznamu. Tranzienty typu Q-burstov sú relatívne rýchle eventy. Ich ve©mi

podrobná analýza vyºaduje preto vy²²iu vzorkovaciu frekvenciu pri A/D prevode. V práci

Ogawa, Komatsu (2009) bola uvedená vzorkovacia frekvencia 22 kHz. Autori tejto práce

takýto záznam preltrovali v ELF-pásme a získali vypo£ítané odozvy tranzientov, ktoré

jednozna£ne ukázali moºnos´ registrácie tranzientov aj pri niº²ích vzorkovacích frekven-

ciách (na AGO FMFI je to 200 Hz).

Vizuálne preh©adávanie záznamov s cie©om identikova´ tranzient je ve©mi pracné

a pre ve¨ký po£et záznamov temer nemoºné. V práci Price et al. (2002) pri vzorkovacej

frekvencii 1 kHz boli Q-bursty vyh©adávané na základe náhlej zmeny derivácie v £asovom

zázname pre E-zloºku. Táto metóda je pravdepodobne spo©ahlivá len pri meraní s vy²²ou

vzorkovacou frekvenciou ako je pouºívaná na AGO.

Pre potreby vyh©adávania tranzientov v dôsledku silných bleskov bol navrhnutý

programový balík Q-burstFinder, ktorého autorom je bývalý pracovník KAFZM FMFI

UK RNDr. L. Rosenberg, Ph D. Jadro balíka je napísané v jazyku C a pouºíva vybrané

podprogramy z kniºnice GSL (GNU Scientic Library). Základné kritériá pre vyh©adáva-

nie sú: dostato£ná amplitúda tranzientu, ²írka prvého kladného alebo záporného pulzu a

²írka £asovej diferencie medzi primárnym a sekundárnym pulzom (antipodálna vlna). Tieto

parametre sú závislé od vzdialenosti zdroj-pozorovate© (SOD), preto je nutné vhodne za-

da´ ich horné a dolné hranice. Program pracuje s hodnotami v arbitrary units [a.u.],

ktoré sú výstupom v 5.5 min. meracej sekvencie. Program najskôr pomocou podprogramu

FIT/GLS metódou k¨zavých priemerov ur£í bázu záznamu. Kópia tejto hladkej nízko-

frekven£nej krivky zvý²ená o ±600 a.u. denuje pás hodnôt, ktorý odpovedá ²umu. Krivky

sú ozna£ené tup (horná hranica), tdn (dolná hranica) a tmd (stred). Program

50

5.2. PROGRAMOVÝ BALÍK Q-BURSTFINDER

kontroluje v²etky prechody reálneho £asového záznamu nad krivku tup a pod tdn

a hodnotí na nich £asové diferencie medzi výstupom a opätovným vstupom meraných

hodnôt z/do pásu tup-tdn . asové diferencie sú odpodo£ítavané na báze tmd.

Na základe uºívate©om stanovených hraníc (£asová ²írka prvého pulzu a £asová diferencia

medzi primárym a sekundárnym pulzom), program spracuje tabu©ku nájdených eventov,

ktoré vyhovujú kritériám a spracuje vstupný súbor pre program Gnuplot, pomocou kto-

rého moºno postupne vizuálne prezrie´ krátke úseky záznamu aj s ozna£eným tranzientom.

Program Q-burstFinder bol v minulosti pouºívaný len ve©mi sporadicky. V tejto práci

bol aplikovaný na v²etky záznamy a obdobia marec-apríl-máj 2007, a teda bol prvýkrát

systematicky aplikovaný na vy²e 22 000 záznamov, ktoré boli namerané na AGO-u (kaºdú

hodinu 10 záznamov v d¨ºke 5.46 min.). Nízkofrekven£ná £as´ môºe záznam rozkmita´

(frekvencie 0-2 Hz) a jej prítomnos´ môºe ovplyv¬ova´ aplikáciu uvedených kritérií na

h©adanie tranzientu, a teda môºe ovplyvni´ po£et nájdených tranzientov. Preto bol prog-

ram Q-burstFinder na kaºdý záznam spú²´aný dvakrát. Prvýkrát na pôvodný záznam (v

¤al²om texte ozna£ený ako p-záznam) a druhom spú²´aní bola z pôvodného záznamu od-

£ítaná báza tmd, £ím bola odstránená nízkofrekven£ná £as´ (v ¤al²om texte ozna£ený

ako n-záznam). V oboch typoch záznamov bol ur£ený po£et tranzientov. Q-burstFinder

udáva len ich zoznam, preto boli vypracované linuxové skripty, ktoré jeho výstupy ¤alej

spracovávajú. Skripty vytvorili súbory s po£tom (£íslo) tranzientov v danej sekvencii a za

daný de¬ osobitne a dop¨¬ali v súboroch £asy, ke¤ sa nemeralo (napr. výpadok prúdu) s

prázdnym po£tom tranzientov. Pre kaºdý de¬ boli po£ty nájdených tranzientov z p- a

n-záznamu vizuálne kontrolované a ur£ované vidite©ne anomálne po£ty, bu¤ ve©mi malé,

alebo extrémne vysoké, £o nazna£ovalo nejaké poruchy v zázname.

Do programu Q-burstFinder neboli vykonané ºiadne zásahy. Ako vstupné kritériá

pre h©adanie Q-burstov boli zvolené hranice:

• minimálna/maximálna hodnota £asovej diferencie medzi primárnym a sekundárnym

pulzom 0.095 s/0.200 s

• minimálna/maximálna hodnota ²írky primárneho pulzu 0.015 s/0.050 s

• minimálna/maximálna hodnota amplitúdy pulzu 4000 a.u./20 000 a.u.

51

Tieto kritériá boli pouºité pre p- aj n-záznamy z celého sledovaného obdobia. Nebola

uskuto£nená analýza, ako po£ty nájdených tranzientov závisia od ich nastavenia.

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

44000

46000

119 119.2 119.4 119.6 119.8 120

ampl

[a.u

.]

03120518

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

44000

276.6 276.8 277 277.2 277.4

03120518

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

72.6 72.8 73 73.2 73.4

03241630

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

270.6 270.8 271 271.2 271.4

ampl

[a.u

.]

03241630

31000

32000

33000

34000

35000

36000

37000

38000

39000

6.6 6.8 7 7.2 7.4

04131730

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

62 62.2 62.4 62.6 62.8 63

04131730

28000

29000

30000

31000

32000

33000

34000

35000

36000

37000

38000

133.6 133.8 134 134.2 134.4

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04131730

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

89 89.2 89.4 89.6 89.8 90

cas [s]

04131618

28000

29000

30000

31000

32000

33000

34000

35000

36000

37000

277.6 277.8 278 278.2 278.4

cas [s]

04131618

Obr. 5.4: Vybrané 1-sekundové ukáºky s tranzientmi od silných −CG bleskov.

Na obr. 5.4 vidíme 1-sekundové ukáºky s nájdenými Q-burstami, ktoré generovali −CGsilné blesky (kladný primárny pulz). Na obr. 5.5 sú vybrané ukáºky signatúr silných +CG

bleskov (záporný primárny pulz). Pozície tanzientov sú ozan£ené vertikálnymi £iarami

v bode, ktorý program ur£il ako za£iatok tranzientu. Vidíme, ºe −CG a +CG sa do

záznamu zapí²u rôzne. V䣲inou sú +CG blesky silnej²ie. Na −CG-tranzientoch je do-

minantný bipolárny pulz, +CG-tranziety majú £astej²ie výraznej²ie sekundárne prechody

cez meracie miesto. Prejavuje sa tak antipodálna vlna, alebo pre bliº²ie eventy aj trojpul-

zové záznam, ke¤ sa do meracieho miesta dostane primárna vlna po jednom obehu okolo

Zeme.

Na oboch obrázkoch sú ukáºky z p-záznamov. Vidíme, ºe identikácia tranzientu nie je

vºdy presná. Na obrázku 5.4 je v sekvencii 03120518 séria troch Q-burstov, pri£om tretí

52

5.2. PROGRAMOVÝ BALÍK Q-BURSTFINDER

nie je ozna£ený, v sekvencii 04131730 sú ozna£ené dva, hoci ide zjavne o jeden Q-burst.

Na obr. 5.5 je v troch prípadoch ozna£ená antipodálna vlna ako samostatný Q-burst, v

sekvencii 03120518 nie je ozna£ený zjavný +CG-tranzient, ktorý patrí v klasikácii auto-

rov Ogawa, Komatsu (2009) pravdepodobne do triedy VV, teda vzdialenej²ieho blesku.

Boli zistené situácie, ke¤ bol sporadicky ozna£ený trazient zjavne chybne. Vysky-

tovalo sa to hlavne v p-záznamoch a stúpajúcej alebo klesajúcej nízkofrekven£nej £asti.

Samostatne bolo treba analyzova´ prípady, ke¤ bol zistený anomálny po£et tranzientov.

V podkapitole 5.4 uvádzame spôsob o²etrenia týchto situácií.

Celkovo moºno kon²tatova´, ºe v n-záznamoch bolo identikovaných menej tranzien-

tov ako v k nim odpovedajúcich pôvodných p-záznamoch. Ak uváºime, ºe v odbornej

literatúre sa uvádza po£et Q-burstov asi 100 za hodinu v planetárnom rozsahu, tak apli-

kovaním programu Q-burstFinder je tento po£et nadhodnotený asi 2-3krát.

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

62.6 62.8 63 63.2 63.4

ampl

[a.u

.]

03120518

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

322.6 322.8 323 323.2 323.4

03120518

15000

20000

25000

30000

35000

40000

305.6 305.8 306 306.2 306.4

03120518

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

120.6 120.8 121 121.2 121.4

ampl

[a.u

.]

03241630

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

243.6 243.8 244 244.2 244.4

04010042

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

142.8 143 143.2 143.4 143.6 143.8

04031818

15000

20000

25000

30000

35000

40000

313.8 314 314.2 314.4 314.6 314.8

ampl

[a.u

.]

cas [s]

04131618

18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

212.6 212.8 213 213.2 213.4

cas [s]

04131730

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

294.6 294.8 295 295.2 295.4

cas [s]

04131730

Obr. 5.5: Vybrané 1-sekundové ukáºky s tranzientmi od silných +CG bleskov.

53

Môºe to súvisie´ s tým,ºe minimálne hodnoty amplitúd pulzov boli v kritériách pre výber

nastavené príli² nízko (= 400a.u.). Okrem tohto je vôbec ve©mi ´aºké stanovi´ kritériá

pre automatickú identikáciu Q-burstov v reálnych záznamoch, ktoré sú z rôznych dôvo-

dov komplikované. Napriek týmto nedostatkom bolo uskuto£nené vyhodnotenie nájdených

tranzientov a bola vypo£ítaná reprezentatívna denná variácia po£tu tranzientov z mesa£-

ných priemerov v kaºdom meracom £ase osobitne pre kaºdý z troch hodnotených mesiacov.

Podrobnej²ie sú tieto výsledky komentované v £asti 5.5.

5.3 Výber analyzovaného obdobia (marec-máj 2007) a

lokálne meteorologické podmienky na AGO

Výber záznamov v jarných mesiacoch (marec, apríl, máj) z roku 2007 mal nieko©ko

dôvodov. V tomto období sa na AGO-u uº meralo kaºdých 6 minút, teda meranie bolo tak-

mer kontinuálne. V danom období bolo menej výpadkov v meraní. Rekon²trukcia silových

rozvodov v okolí Modry, ktorú vykonávali v minulosti Západoslovenské elektrárne neza-

siahla skúmané obdobie. Napriek tomu boli sporadické výpadky dodávky prúdu najmä

v mesiaci marec v £asoch medzi 8-10 hodinou UT.

Na frekvencie Schumannových rezonan£ných módov má vplyv aj slne£ná aktivita.

Bolo zistené, ºe smerom k minimu slne£nej aktivity klesajú frekvencie rezonan£ných píkov

o desatinyHz. V práci Ondrá²ková et al. (2011) bola táto skuto£nos´ potvrdená na základe

vyhodnotenia meraní z obdobia rokov 2002-2009 v podmienkach stanice na AGO. Hoci

nie sú celkom jasné fyzikálne mechanizmy vplyvu slne£nej aktivity na rozsah bleskovej ak-

tivity, rok 2007 bol rokom zníºenej aktivity Slnka. Táto skuto£nos´ bola v²ak podruºným

faktorom pre výber analyzovaného obdobia a uvádzame ju len kôli komlexnej²ej informá-

cii. Jarné mesiace sa v²eobecne povaºujú za £as´ roka, kedy je lokálnych búrok v stredných

²írkach menej ako po£as letých mesiacov. Vtedy na záznamoch neprevládajú blesky, ktoré

sa objavujú v blízkosti meracej stanice AGO. Blízke blesky od lokálnych búrok silne satu-

rujú záznam, pretoºe sú ich elektromagnetické polia ve©mi silné. Na obr. 5.6 sú zobrazené

po£ty bleskov zaznamenané za jednotlivé mesiace marec, apríl, máj a takisto za celú jar

2007 v rovníkovej oblasti na základe satelitných pozorovaní na detektore LIS (Lightning

Imaging Sensor).

54

5.3. VÝBER ANALYZOVANÉHO OBDOBIA (MAREC-MÁJ 2007) A LOKÁLNEMETEOROLOGICKÉ PODMIENKY NA AGO

(a) Aktivita výbojov po£as marca 2007 (b) Aktivita výbojov po£as apríla 2007

(c) Aktivita výbojov po£as mája 2007 (d) Aktivita výbojov po£as jari 2007

Obr. 5.6: Po£etnos´ bleskov po£as marca, apríla, mája a celkovo po£as jari 2007 zazname-

naná na zariadení LIS.

Vo v²eobecnosti je na sú²i blesková aktivita najvy²²ia v popolud¬aj²ích hodinách

lokálneho £asu (15-16 hod. LT). Japonský satelit TRMM (Tropical Rainfall Measuring

mission), na palube ktorého je detektor LIS umiestený, pracuje od r. 1997 doteraz. Po£as

preletu v danom bode sníma oblasti 600 × 600 km, jeho rýchlos´ je 7 km/s a je ur£ený

na snímanie búrkovej aktivity medzi ±35 stup¬ov severnej a juºnej ²írky. Na obrázku sú

uvedené po£ty orbitálnych preletov za mesiac a po£ty vyhodnotených bleskových udalostí

(po£ita IC a CG blesky). Obvykle sa denná variácia globálnej bleskovej aktivity odvo-

dzuje z denných variácií amplitúd Schumannových rezonan£ných píkov. K dennej variácii

hlavne prispievajú 3 základné ohniská búrok v rovníkovej oblasti (Ázia, Afrika a Amerika)

a kumulatívne vytvárajú búrkovú aktivitu, pri£om ich maximálne aktivity sa postupne

55

zapínajú s pohybom Slnka.

V tejto práci je uvedený iný spôsob merania aktivity búrok po£as d¬a. Vyuºili sme

k tomu inú mieru aktivity zaloºenú na ur£ení po£tu silných bleskov, ktoré v ELF-zázname

vytvárajú Q-bursty. Ich po£etnos´ bola ur£ovaná programom Q-burstFinder. Medzi zázna-

mami z AGO-a sa nachádzali aj také, ktoré boli do zna£nej miery naru²ené silným vetrom

kedy sa meracia aparatúra dostala do saturovaného stavu a meranie bolo nepouºite©né.

Q-bursty sa nemali na £om zachyti´ a teda ich sú£et v danej sekvencii nezodpovedal

pravdepodobnému reálnemu sú£tu vyskytnutých Q-burstov. V tab. 5.1 sú uvedené údaje

o rýchlosti vetra v ms−1 po£as jednotlivých dní analyzovaných mesiacov, ktoré boli po-

skytnuté z meteorologickej stanice na AGO-u. Porovnaním týchto údajov so záznamami z

dní, ktoré boli zna£ne oplyvnené saturáciou sa zistilo, ºe sú v dobrej korelácii.

Rýchlos´ vetra v ms−1

Marec Apríl Máj Marec Apríl Máj

de¬ 07 14 21 07 14 21 07 14 21 de¬ 07 14 21 07 14 21 07 14 21

1. 3 1 3 2 3 0 1 7 3 16. 0 2 1 2 3 1 5 5 1

2. 3 5 4 1 2 1 1 1 1 17. 2 6 7 0 1 3 1 0 3

3. 2 3 4 0 3 1 2 2 1 18. 5 3 2 2 6 5 6 8 5

4. 6 3 0 4 8 6 2 1 1 19. 5 2 2 2 2 2 4 1 1

5. 1 2 0 4 4 4 1 1 1 20. 0 1 2 3 5 1 0 4 0

6. 0 2 2 7 7 4 0 2 2 21. 3 5 2 2 4 0 1 4 0

7. 1 2 1 0 1 2 2 2 3 22. 2 0 1 1 1 1 1 3 2

8. 1 1 5 1 5 2 7 6 1 23. 3 4 2 1 1 1 4 5 3

9. 4 5 2 2 3 1 3 4 4 24. 0 2 4 2 3 0 0 4 0

10. 5 8 6 2 4 6 2 4 3 25. 1 2 0 3 2 0 1 1 0

11. 6 7 4 3 5 3 1 4 3 26. 1 5 1 2 3 0 2 4 1

12. 1 1 0 0 0 0 0 4 0 27. 1 3 0 2 3 2 4 2 3

13. 0 2 1 1 1 0 0 3 1 28. 1 2 1 1 2 2 3 3 2

14. 2 5 3 2 2 1 1 3 1 29. 2 3 2 4 7 2 3 2 6

15. 4 3 2 0 3 2 7 3 7 30. 2 1 2 1 5 3 7 6 6

31. 1 1 0 1 1 0

Tabu©ka 5.1: Ve©kos´ rýchlosti vetra v marci, apríli a máji 2007 namerané v 7., 14. a 21.

hod. na AGO. V iných £asoch mohli by´ v danom dni poveternostné podmienky iné.

56

5.4. ANALÝZA PRÍIN ANOMÁLNEHO POTU TRANZIENTOV V DANEJSEKVENCII MERANIA

5.4 Analýza prí£in anomálneho po£tu tranzientov v da-

nej sekvencii merania

V predchádzajúcom texte sme uº nazna£ili, ºe ELF-záznamy môºu ovplyvni´ nepriaz-

nivé lokálne veterné podmienky. Záznam je potom saturovaný. Ukáºka takéhoto záznasmu

je na obr. 3.7 v dolnej £asti. Ako pravidlo boli po£ty nájdených tranzientov v danej sek-

vencii merania nízke (< 10). Tieto záznamy boli zo ²tatistického vyhodotenia vyradené.

asto sa vyskytovali v prvej polovici mája 2007.

Druhý extrém anomálneho po£tu bolo príli² ve©a tranzientov v porovnaní s pred-

chádzajúcimi sekvenciami. Na obr. 5.7 je zobrazený v hornej £asti záznam z 18. mája

so za£iatkom o 23:06 UT. V prvej dvojici na ©avej strane je jeho p-verzia (pôvodná),

vpravo je verzia po od£ítaní nízkofrekven£nej £asti, teda n-verzia. V prostrednej £asti je

pre

p- a n-záznamy zobrazený 5 sek. úsek v intervale (50-55) sekúnd. Môºeme si v²imnú´, ºe

v tejto £asti sú modrou zvislou £iarou nazna£ené nájdené Q-bursty, na prvom obrázku

sú dva, no na druhom uº len jeden. Tento rozdiel vznikol nenaplnením kritérií pre prvý

pôvodne ozna£ený tranzient. V spodnom páse záznamu je ukázaný 5 sek. úsek v inter-

vale (235-240) sek., kde je signál silne kontaminovaný pribliºne 12.5 Hz poruchou. Prí£ina

tohto signálu (= 50/4 Hz) nie je jasná. Kaºdá £as´ tejto sínusovky vyhovovala kritériám

pre taranzient (vi¤. vertikálne £iary ich pozícií), preto program Q-burstFinder ur£il ich

vysoký po£et. Takéto zlé vyhodnotenia by sa dali odstráni´ spresnením alebo upravením

vstupných prametrov programu. Na obr. 5.8 je vyhodnotený po£et nájdených tranzientov

po£as celého 18. mája pre p-záznamy (£ervená) a n-záznamy (zelená). Poradie sekvencie

uvedené na x-ovej osi sú£asne ur£uje hodinu merania (napr. poradie 170 znamená 17. hod.

UT). V £ase 23:06 UT je anomálny po£et tranzientov v dôsledku poruchy s frekvenciou asi

12.5 Hz. Táto £as´ meracej sekvencie bola odstránená a nahradená aritmetickým prieme-

rom predchádzajúcej a nasledujúcej sekvencie. Rovnakým spôsobom sme postupovali pri

¤al²ích nájdených anomáliách ve©kého po£tu tranzientov. Výsledok tejto umelej úpravy

je v pravej £asti obr. 5.8. Týmto spôsobom boli preskúmané v²etky denné záznamy po£tu

tranzientov. Záznamy s anomálne nízkymi po£tami boli obvykle vyradené zo ²tatistického

spracovania a záznamy s anomálne vysokými po£tami bu¤ vyradené alebo boli nahradené

57

spôsobom opisaným vy²²ie.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

05182306p

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

50 51 52 53 54 55

ampl

[a.u

.]

cas [s]

05182306p05182306.fitup05182306.fitdn05182306.fitmd

05182306.qb

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

0 50 100 150 200 250 300

ampl

[a.u

.]

cas [s]

05182306n

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

50 51 52 53 54 55

ampl

[a.u

.]

cas [s]

05182306n05182306.fitup05182306.fitdn05182306.fitmd

05182306.qb

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

235 236 237 238 239 240

ampl

[a.u

]

cas [s]

05182306p05182306.fitup05182306.fitdn05182306.fitmd

05182306.qb

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

235 236 237 238 239 240

ampl

[a.u

]

cas [s]

05182306n05182306.fitup05182306.fitdn05182306.fitmd

05182306.qb

Obr. 5.7: Záznam z d¬a 18.5. 2007, 23:06, a jeho vybrané £asti. V prvom páse je zobrazený

celý záznam, v strednom páse 5 sekundová (50-55) £as´ pred a po odrátaní nízkofrekven£nej

£asti a v poslednom páse je zobrazený tieº 5 sekundový záznam (235-240), na ktorom vidno

silný 12.5 Hz signál.

58

5.5. DENNÉ VARIÁCIE POTU TRANZIENTOV

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230

poce

t tra

nzie

ntov

poradie meracej sekvencie

0518p0518n

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230

poce

t tra

nzie

ntov

poradie meracej sekvencie

0518p-upravene0518n-upravene

Obr. 5.8: Neupravený záznam z d¬a 18.5. 2007 a následne záznam s odstránenou anomá-

liou.

5.5 Denné variácie po£tu tranzientov

Hlavným cie©om tejto práce bolo zisti´ dennú variáciu po£tu tranzientov (Q-burstov)

v danom mesiaci vypo£ítanú ako mesa£ný priemer z po£tov v danom £ase merania. Táto

analýza bola spracovaná na základe identikovaných tranzientov pomocou programu

Q-burstFinder. Postup k splneniu tohto cie©a je zrejmý z predchádzajúceho textu, napriek

tomu ho e²te raz zhrnieme do nasledovných bodov:

1. Na kaºdú sekvenciu merania o d¨ºke 5.46 min. bol dvakrát aplikovaný Q-burstFinder,

najprv na pôvodný p-záznam a potom na n-záznam, ktorý sa získal z pôvodného

od£ítaním nízkofrekven£nej bázy.

2. Po£ty nájdených tranzientov boli z p- a n-záznamov ukladané do súborov po jed-

notlivých d¬och.

3. Tieto súboty boli vizuálne gracky kontrolované a identikované boli anomálne po-

£ty.

4. Prí£iny anomálneho po£tu (príli² malé alebo príli² ve©ké) boli honotené vizuálnou

analýzou daného úseku záznamu prostriedkami programu Q-burstFinder, ktorý toto

umoº¬oval pouºijúc gracký program Gnuplot.

59

5. Sekvencie s anomálnym po£tom boli bu¤ vyradené (v p- aj n- verzii) alebo boli

anomálne po£ty tranzientov nahradené priemerom z po£tov nájdených v najbliº²ích

susedných sekvenciách.

6. Z takto upravených údajov boli vypo£ítané mesa£né priemery zo v²etkých hodnôt

v danom meracom £ase.

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DV-pmar-DV-psmar-DV-n

mar-DV-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

apr-DV-papr-DV-psapr-DV-n

apr-DV-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DVb-pmar-DVb-psmar-DVb-n

mar-DVb-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

apr-DVb-papr-DVb-psapr-DVb-n

apr-DVb-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

maj-DV-pmaj-DV-psmaj-DV-n

maj-DV-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

maj-DVb-pmaj-DVb-psmaj-DVb-n

maj-DVb-ns

Obr. 5.9: Denné varácie po£tu tranzientov zobrazené osobitne pre mesiace marec, apríl,

máj 2007. V pravej £asti obrázku sú po£ty vykreslené pomocou bezier kriviek.

V kaºdej hodine bolo vºdy 10 meraní za£ínajúcich v 0., 6., 12., ..., 48., 54. minúte, teda

za de¬ 24 × 10 = 240 meraní. Na obr. 5.9 sú zobrazené výsledky osobitne pre kaºdý

mesiac. Ozna£enie jednotlivých kriviek je nasledovné: mesiac-DV-p prislúcha dennej

60

5.6. ANALÝZA VÝSLEDKOV (Q-BURSTFINDER)

variácii (DV) z p-záznamu bez odstránenia anomálnych po£tov, mesiac-DV-ps prislúcha

DV s odstránenými (selektovanými) anomáliami. Podobný význam majú krivky mesiac-

DV-n a mesiac-DV-ns pre n-záznamy. V pravej £asti obrázku sú krivky dennej variácie

pomocou bezier kriviek, ktoré ponúka program Gnuplot.

Na obr. 5.10 sú zobrazené krivky denných variácií z identikovaných tranzientov (po úprave

po£tov eventov v dôsledku anomálií) osobitne pre p- verziu a osobtitne pre n-verziu naraz

pre v²etky tri skúmané mesiace (marec, apríl, máj 2007). Hoci trojmesa£né obdobie je

krátke, môºeme tieto grafy chápa´ ako medziro£nú sezónnu zmenu denných variácií po£tu

Q-burstov.

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DV-psapr-DV-psmaj-DV-ps

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DV-nsapr-DV-nsmaj-DV-ns

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DVb-psapr-DVb-psmaj-DVb-ps

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200mes

acny

prie

mer

poc

tu tr

anzi

ento

v

poradie meracej sekvencie

mar-DVb-nsapr-DVb-nsmaj-DVb-ns

Obr. 5.10: Denné variácie po£tu tranzientov pre mesiace marec, apríl, máj 2007 zobrazené

v jednom grafe. V pravej £asti obrázku sú po£ty vykreslené pomocou bezier kriviek.

5.6 Analýza výsledkov (Q-burstFinder)

Jednou z moºností ako klasikova´ globálnu búrkovú aktivitu z ELF-meraní je vy-

hodnoti´ amplitúdy píkov (napr. prvých troch) Schumannových rezonancií. Zrejme platí

jednoduchá fyzikálna implikácia: £ím viac je búrok a bleskov, tým v䣲ou vynucujúcou

61

silou je dutinový rezonátor excitovaný a tým budú ma´ spektrá z ELF-záznamov vy²²ie

amplitúdy rezonan£ných píkov. Vyhodnotením kumulatívnej intenzity prvých troch SchR

módov v danom mesiaci moºno získa´ dennú variáciu búrkovej aktivity ako mesa£ný prie-

mer hodnôt v danej hodine merania. Kvantikovanie búrkovej aktivity sa v²ak v tejto

spektrálnej metóde nerobí z ampltitúd píkov, ale z tzv. denného frekven£ného rozsahu

(DFR, Daily Freqency Range), ktorý je nepriamo úmerný k efektívnym priestorovým

rozmerom búrkovej oblasti. DRF predstavuje rozdiel medzi maximálnou a minimálnou

hodnotou frekvencie SchR-píku v danom dni. Metóda je teoreticky zdôvodnená

(napr. Nickolaenko, Hayakawa, 2002) a pre merania zo stanice Nagycenk sú výsledky kvan-

tikácie rozmerov búrkovej aktivity uvedené v práci Nickolaenko et al. (1998). V práci je

po jednotlivých mesiacoch a rokoch (1993-1996) gracky zobrazená denná/sezónna variá-

cia globálnej búrkovej aktivity (pozri obr. 2.8) ur£ená pomocou DFR- metódy. V mesiacoch

marec, apríl, máj je nástup aktivity o 03-04 hod. UT, potom je bu¤ slabý pokles alebo

plateau a denné hlavné maximá sú kolo 15-16 hod. UT a pokles okolo 20-21 hod. UT.

Vo v²eobecnosti je na sú²i najv䣲ia búrková aktivita v popolud¬aj²ích hodinách

okolo 16 hod. lokálneho £asu. Tri planetárne búrkové ohniská (juhovýchodná Ázia, Afrika

a obe Ameriky) sa so svojimi maximálnymi aktivitami postupne zapájajú od východu

na západ. Ich integrálna spolo£ná aktivita po£as d¬a v²ak nemá tri maximá, ale jedno

dominantné okolo 16. hod UT a jedno sekundárne (£asto nevýrazné) vo v£asných ranných

hodinách UT. Je to spôsobené zrejme tým, ºe v tropických oblastiach môºu by´ intenzívne

búrky aj po£as celého d¬a lokálneho £asu, nie len popoludní.

V tejto práci kvantikujeme globálnu búrkovú aktivitu pomocou po£tu tranzientov

(Q-burstov). Podstatný rozdiel v metóde kvantikácie je nasledovný. Vy²²ie spomenutá

metóda pouºívajúca priestorový rozmer búrkového ohniska, ktoré putuje pozd¨º rovníka.

V na²ej metóde sa vyuºíva záznam z £asovej oblasti a implicitne sa predpokladá, ºe £ím

je búrková aktivita v䣲ia, tým je viac bleskov, a teda aj obzvlá²´ silných bleskov, ktoré

sa zapí²u do ELF- záznamu ako tranzient.

Na obr. 5.10 vidíme, ºe okolo 5:00 hod. UT je ved©aj²ie lokálne maximum. Medzi

7:00-8:00 UT nastáva pokles a od 9:00 UT postupný nárast aº po 16:00 UT. Nasleduje

prud²í pokles po 20:00 UT. Zaujímavej²ia je zmena v dennej variácii medzi jednotlivými

mesiacmi. Nástup aktivity v skorých ranných hodinách sa posúva ku skor²ím ranným ho-

dinám a ve£erný pokles sa posúva k neskor²ím hodinám. To zrejme súvisí s nárastom vý²ky

62

5.6. ANALÝZA VÝSLEDKOV (Q-BURSTFINDER)

Slnka na severnej pologuli, kde je podstatne viac kontinentov a povrchu sú²e, na ktorej

sú omonoho priaznivej²ie termodynamické podmienky pre vznik búrok ako nad moriami.

Ranné lokálne maximum môºeme interpretova´ ako vplyv búrok v juhovýchodnej indo-

nézkej oblasti a v Indii. Dominantný príspevok k hlavnému maximu ur£ite vytvára oblas´

rovníkovej Afriky.

Celkovo môºeme kon²tatova´, ºe ná² prístup ku klasikácii globálnej aktivity nedal

neadekvátne a zamietnute¨né výsledky. Výzvou do budúcnosti je spracova´ touto metódou

aj ostatné mesiace roku 2007, prípadne aj iné roky a porovna´ výsledky a analyzova´ me-

dziro£né trendy.

Program Q-burstFinder teda poskytuje celkom dobrý nástroj na kvantikáciu glo-

bálnej búrkovej aktivity. Na základe jeho testovania v²ak v ¬om treba urobi´ úpravy

a korekcie. K tomu moºno doporu£i´:

1. V jeho doteraj²ej forme realizova´ citlivostnú analýzu na rôzne vstupné údaje, ktoré

ur£ujú kritériá pre identikáciu tranzientov.

2. V jeho doteraj²ej forme ho aplikova´ na v²etky mesiace roku 2007.

3. Program nadhodnocuje po£et nájdených eventov s faktorom 3 v porovnaní s po£tami

Q-burstov za 1 hodinu, ktoré sú odhadnute©né na 80-100.

4. V programe je vnútorne nastavená ²írka pásu okolo bázy záznamu na 1200 a.u. Je

dos´ moºné, ºe jej zv䣲enie by zreálnilo po£etnos´ záujmových eventov.

5. Ukázalo sa, ºe po£ty nájdených eventov sú v n-verzii men²ie v porovnaní s aplikáciou

programu na pôvodné p-záznamy.

alej moºno doporu£i´ ¤al²ie modikácie:

1. Do programu a obsahu jeho výstupov doplni´ informáciu o polarite Q-burstu. Bolo

by tak moºné osobitne hodnoti´ po£ty pre silné −CG blesky a silné +CG blesky.

2. Preskúma´ teda prí£iny ozna£enia niektorých eventov ako dva tranzienty. Týka sa

to hlavne ozna£enia primárnej a antipodálnej vlny ako dva eventy, hoci ide o jeden

tranzient.

63

3. hoci je ´aºké a takmer nemoºné navrhnú´ jednozna£né kritériá pre výber eventov

v reálnych komplikovaných záznamoch, predsa ich doplnenie a sprísnenie výberu

môºe prispie´ k reálnej²ím výsledkom. Týka sa to hlavne situácí, ktoré viedli k ano-

málne ve©kému po£tu nájdených ale nereálnych tranzientov nemajúcich pôvod v

prírodných procesoch.

64

Záver

V práci sme sa v úvodnej kapitole zaoberali bleskami, ich rozdelením, vysvetlili sme

proces prenosu záporného a kladného atmosférického výboja od oblaku k zemi. Tieº sme

vysvetlili dva najpravdepodobnej²ie mechanizmy vzniku a rozloºenia náboja v oblakoch.

V ¤al²ej kapitole sme uviedli základné charakteristiky Schumannových rezonancií, opísali

sme meraciu aparatúru na AGO-u, na ktorej boli uskuto£nené v²etky nami analyzované

merania. V kapitole 4 sme vysvetlili spojitos´ TLE javov s búrkami, tieº sme charakte-

rizovali sprajty a ich vlastnosti, uvideli sme ich ukáºky pochádzajúce aj z AGO-a. Tieto

kapitoly tvoria skôr kompila£nú £as´ tejto bakalárskej práce. Snaºili sme sa upozorni´ na

dominantné javy a procesy súvisiace s bleskami pouºijúc vedeckú kniºnú literatúru z po-

sledných rokov v anglickej mutácii. Hoci Schumannove rezonancie a javy TLE (najmä

sprajty) nie sú ²irokej verejnosti úplne neznáme, v slovenskom jazyku je málo stur£nej²ích

populárno-vedeckých textov na túto tému. Výnimku tvorí cyklus dvoch £ánkov autorov

(Ondrá²ková et. al, 2008a, 2008b).

Hlavný cie© tejto práce a sú£asne aj vlastný prínos jej autorky je analýza po£etnosti

tranzientných eventov v ELF-záznamoch elektrickej zloºky nameraných na AGO pomocou

kódu pre automatické vyh©adávanie takýchto javov.

Výrazné tranzienty, Q-bursty, majú pôvod v obzvlá²´ silných výbojoch, ktoré sa

vyskytujú v po£te pribliºne 100 za hodinu. Samotná analýza spo£ívala v identikácii tran-

zientov pomocou programového balíka Q-burstFinder. Takéto systematické preh©adávanie

záznamov, ktoré boli namerané na AGO-u FMFI UK, je vlastne jedine£né, ke¤ºe sa usku-

to£nilo vôbec prvýkrát. Preh©adávané boli záznamy z vertikálnej elektrickej zloºky v me-

siacoch marec, apríl, máj roku 2007. Po preskúmaní záznamov z tohto jarného obdobia a

následným odstránením a upravením anomálnych po£tov tranzientov sme zistili, ºe v²etky

tri mesiace majú pribliºne rovnaký charakter. Najviac tranzientov sa vyskytovalo okolo

15-16 hodiny a okolo 5 hodiny ráno UT. Po£as 7-8 hodiny UT po£et Q-burstov poklesol a

po 20 hod. UT nasledoval prud²í pokles. Z porovnania dennej variácie medzi jednotlivými

mesiacmi sme zistili, ºe ranný nástup výskytu tranzientov sa objavoval v skor²ích hodi-

nách v máji ako v apríli, a v apríli skôr ako v marci. Toto je zrejme spôsobené zvy²ujúcou

sa vý²kou Slnka v neskor²ích mesiacoch. Takisto ve£erný pokles sa posúval do neskor²ích

hodín. Analýzou Q-burstov sme zistili, ºe hodnoty ich po£tov sú silne nadhodnotené, 2-

65

3-krát. Dominantné zdroje búrkovej aktivity sú v tropických oblastiach. Sú to tri ohniská

sústredené v juhovýchodnej Ázii, v rovníkovej Afrike a juºnej Amerike. Hlavné poobed¬aj-

²ie maximum po£tu tranzientov vytvára zrejme africké ohnisko, ved©aj²ie ranné maximum

dominantne ur£uje pravdepodobne búrky v Ázii.

Po tomto testovaní Q-burstFinder-u sme navrhli tieº jeho úpravy k zlep²eniu. Od-

poru£ili sme napríklad doplni´ do programu informáciu o rozpoznaní polarity tranzien-

tov, £o by umoºnilo samostatne hodnoti´ prejavy silných −CGa +CG bleskov. alej sme

odporu£ili preskúma´ prí£iny ob£asného ozna£enia antipodálnych v¨n ako samostatných

Q-burstov, doplni´ kritéria pre výber eventov, aby sa dospelo k reálnej²ím hodnotám.

V najbliº²ej budúcnosti bude vhodné analyzova´ rovnakými prostriedkami aj ostatné me-

siace v roku 2007, prípadne aj záznamy z iných rokov. Po£ty tranzientov sú moºno dobrým

indikátorom variability búrkovej aktivity. Hoci sa na jej kvantikáciu £astej²ie pouºíva vy-

hodnotenie spektier ELF-záznamov, môºe analýza tranzientov poskytnú´ dopl¬ujúce in-

formácie o aktivite búrok v planetárnom rozsahu.

66

Literatúra

[1] Balser, M., Wagner, C. A., 1960. Observations of Earth-ionosphere cavity resonances.

Nature, 188, 638-641.

[2] Bazelyan, E. M. and Raizer, Yu. P. 2000. IOP Publishing Ltd.

[3] Bliokh, P. V., Nickolaenko, A. P. and Filippov, Yu. F., 1980. Schumann resonances in

the Earth-ionosphere cavity. D. Ll. Jones, ed., Peter Peregrinus, Oxford, New York,

Paris.

[4] Kemp, D. T., 1971. The global location of large lightning discharges from single

station observations of ELF disturbances in the Earth-ionosphere cavity. J. Atmos.

Terr. Phys., 33, 919-927.

[5] Nickolaenko, A. P. and Hayakawa, M., 2002. Resonances in the Earth-Ionosphere

Cavity. Kluwer Academic Publishers

[6] Nickolaenko, A. P., Hayakawa, M., Hobara, Y., 2010. Q-bursts: Natural ELF Radio

Transients. Surv. Geophys., 31, 409-425.

[7] Nickolaenko, A. P., Sátori, G., Zieger, B., Rabinowitz, L. M., Kudintseva, I. G., 1998.

Prameters of global thunderstorm activity deduced from the longterm Schumann

records. J. Atmos. Solar Terr. Phys., 60(3), 387-399.

[8] Ogawa, T., Komatsu, M., 2009. Q-bursts from various distances on the Earth. Atmo-

spheric Research, 91, 538-543

[9] Ondrá²ková, A., ev£ík, S., Kostecký, P., 2011. Decrease of Achumann resonance fre-

quencies and changes in the eective lightning areas toward the solar cycle minimum

of 2008-2009. J. Atmosph. Solar Terr. Phys., 73, 4, 534-543.

[10] Ondrá²ková, A., ev£ík, S., Rosenberg, L., Kostecký, P., 2008. Schumannove rezonan-

cie Elektromagnetické zvonenie Zeme (1. £as´: História a teória) Pokroky matema-

tiky, fyziky a astronómie., 53(2), 89-102.

67

[11] Ondrá²ková, A., ev£ík, S., Rosenberg, L., Kostecký, P., 2008. Schumannove rezonan-

cie Elektromagnetické zvonenie Zeme (2. £as´: Merania a interpretácia.) Pokroky

matematiky, fyziky a astronómie., 53(3), 211-229.

[12] Price, C., Asfur, M., Lyons, W., Nelson, T., 2002. An improved ELF/VLF method

from globally geologicating sprite-producing lightning. Geophys. Res. Lett., 29(3), doi:

10.1029/2001GL013519.

[13] Rakov, V. A. and Uman, M. A., 2005. Lightning Lightning Physics and Eects. Cam-

bridge University press, New York.

[14] Schumann, W. O., 1952. On the free oscillations of a conducting sphere which is

surrounded by an air layer and an ionosphere shell. Z. Naturforschaftung., 7a, 194-

154 (in German).

68