Dnes vám chci ukázat, že to, co na obloze při bouřce vidíte, ve skutečnosti není elektřina. Vysvětlíme si, proč vás obyčejné gumové holínky před zásahem nezachrání, a ukážeme si, jakou brutální fyzikální magii umí příroda vykouzlit z trochy vody a tření.

Vznik bouřkového mraku (Cumulonimbus): Jak se nabíjí největší baterie světa

Aby mohl vzniknout blesk, potřebujeme nejprve obrovské množství statické elektřiny. Hned jsem si při tom vzpomněl na hodiny fyziky na základce a na klasický pokus, kdy jsme třeli liščí ohon o ebonitovou tyč. Nebo si představte dětství, když jste si třeli nafukovací balónek o vlněný svetr, aby vám pak držel na zdi nebo vám zježil vlasy. Přesně to dělá bouřkový mrak, jen v měřítku stovek krychlových kilometrů.

Když horký letní den ohřeje povrch, vlhký vzduch začne stoupat prudce vzhůru (tento proces jsem probíral v článku o koloběhu vody). Vysoko v atmosféře mrzne a tvoří se krystalky ledu. Zatímco lehčí krystalky stoupají nahoru, těžší krupky ledu padají dolů. A jak se tam v těch obrovských rychlostech o sebe třou a narážejí do sebe, fungují úplně stejně jako ta ebonitová tyč nebo balónek o svetr – "kradou" si navzájem elektrony.

Díky tomuto tření se vršek mraku nabije kladně (plus) a spodek mraku záporně (mínus). Z obyčejného oblaku se tak stává gigantická, extrémně napjatá baterie visící pár kilometrů nad našimi hlavami.

(Cumulonimbus nad Afrikou - zdroj: NASA, foceno z ISS)

Fyzika bleskového výboje: Vidíme na vlastní oči elektrický proud?

Kdy se ale příroda rozhodne, že už toho napětí bylo dost? Vzduch je za normálních okolností vynikající izolant. Elektrony jím prostě neprojdou. Každý materiál má ale svůj bod zlomu – fyzici tomu říkají dielektrická pevnost. Když napětí mezi mrakem a zemí naroste do obludných rozměrů, elektrické pole začne doslova trhat elektrony ze samotných molekul vzduchu. Z nepropustného izolantu se ve zlomku vteřiny stane vodivá dálnice. V tu chvíli padne bariéra a příroda obvod nevyhnutelně zkratuje, aby obnovila rovnováhu. Prásk!

Když se jím ta gigantická lavina elektronů prorve, ohřeje okolní vzduch během zlomku sekundy na neuvěřitelných 30 000 °C. To je mimochodem pětkrát vyšší teplota, než jaká panuje na povrchu Slunce!

Odpověď na naši otázku zní: Ne, elektřinu (elektrony) nevidíme. To, co při bouřce vidíme, je čtvrté skupenství hmoty – extrémně rozžhavený, svítící vzduch přeměněný na plazmu. Funguje to úplně stejně jako stará vláknová žárovka. Jak jsem vysvětloval v článku o tom, jak funguje elektřina v praxi, tam taky nevidíte elektřinu, vidíte jen wolframové vlákno, které se průchodem proudu rozžhavilo doběla. Blesk je prostě jen takové obří žhavé vlákno z plazmy.

Krok za krokem (Stepped leader): Proč blesk kličkuje a nepadá rovně

Všimli jste si, že blesk nikdy nevypadá jako pravítko? Vždycky má takový ten typický, rozvětvený a klikatý tvar kořenů. Proč nepadá rovnou dolů?

Je to proto, že blesk se neodehraje v jednom okamžiku, i když to tak našim očím připadá. Výboj začíná vysláním neviditelného průzkumníka (odborně tzv. krokový vůdčí výboj – stepped leader). Tenhle průzkumník si z mraku "krokuje" cestu dolů a hledá cestu nejmenšího odporu – kapsy vlhčího vzduchu nebo místa s lepším elektrickým vedením. Jakoby potmě tápal a hledal tu nejsnazší cestu ze skály dolů, a proto neustále kličkuje.

Jakmile se tento průzkumník přiblíží k zemi, země mu "vyjde naproti". Ze stromů, budov nebo i lidí vyšlehne vzhůru takzvaný vstřícný výboj. Když se tyhle dva prameny ve vzduchu potkají, okruh se uzavře a vznikne dokonalá vodivá dálnice. Teprve v ten moment po ní vystřelí ta hlavní, masivní záře zespodu nahoru. Trvá to milisekundy, ale je to dokonale secvičený tanec.

Na mém zpomaleném videu níže můžete vidět blesk, který se rozhodl zůstat v bezpečí mraků a neuhodit do země. Právě díky zpomalenému záběru je krásně vidět, že blesk není okamžitý úkaz. Sledujeme zde, jak si energie doslova „prokousává“ cestu vzduchem a postupně rozsvěcuje kanály plazmy. Je to velmi podobné trhlině v čelním skle auta – ta se také šíří určitou rychlostí a směrem, jak se materiál pod tlakem hroutí. V tomto případě je tím materiálem náš vzduch.

Zásah bleskem a varovné signály: Proč se vám zježí vlasy dřív, než udeří (a proč si nelehat)

Hned na úvod vás chci uklidnit – zdravý rozum nám velí mít z bouřky respekt, ale pravděpodobnost, že do vás přímo uhodí blesk, je astronomicky malá (zhruba jedna ku milionu). Přesto se to děje a tělo nám dokáže dát jedno velmi děsivé, fyzikální varování.

Pokud jste venku a najednou cítíte, že vám vstávají vlasy na hlavě a kůže začíná jemně brnět, máte doslova vteřiny. Co to znamená? Znamená to, že se nad vámi nachází extrémně silně nabitý mrak, který z vás právě teď udělal svůj prodlužovací kabel. Váš tělesný náboj se mění a jednotlivé vlasy se plní stejným elektrickým nábojem. A jak víme, stejné póly se odpuzují – proto od sebe vlasy prchají a ježí se. Je to znamení, že onen "neviditelný průzkumník" z mraku si vás právě vyhlédl a z vás se dere ten "vstřícný výboj" jemu naproti.

V takové chvíli zahoďte všechno kovové a okamžitě si dřepněte na zem s nohama co nejblíže u sebe. Možná vás napadne: „Nebylo by lepší si prostě lehnout, abych byl co nejníže?“ Odpověď zní: V žádném případě! Tady narážíme na takzvané krokové napětí. Když blesk uhodí do země poblíž vás, obrovská energie se rozlije po povrchu jako vlny na rybníce. Pokud ležíte, je mezi vaší hlavou a nohama velká vzdálenost (a tedy i obrovský rozdíl elektrického potenciálu). Proud si pak vybere tu nejkratší cestu a vezme to přímo přes vaše životně důležité orgány. Dřepem na špičkách minimalizujete dotyk se zemí a zkrátíte dráhu případného proudu.

Hromosvod a mýty o bouřkách: Proč vás gumové holínky nezachrání a strom je smrtelná past

Pojďme si rovnou vyvrátit pár nebezpečných mýtů, u kterých nás často klame intuice.

Proč se neschovávat pod stromem? Blesk hledá zkratku do země a vysoký strom se nabízí jako ideální dálnice. Problém je, že strom má oproti kovu obrovský elektrický odpor. Když se do něj opře ta ohromná energie, okamžitě se přemění v teplo. Míza a voda uvnitř kmene se ve zlomku vteřiny změní v páru a strom to doslova roztrhá zevnitř jako granát. Navíc energie z blesku sjede po kmeni a rozlije se po povrchu země do okolí. Zůstat pod ním je smrtelná past.

A co nevodivé oblečení a gumové podrážky? Že nás izoluje? Selský rozum tu naráží na limity extrémů. Představte si, že ten výboj právě prorazil několik kilometrů vzduchu (což je fantastický izolant). Myslíte si, že ho zastaví dva centimetry gumy na vaší podrážce? Ani náhodou. Navíc v bouřce prší, jste mokří. Voda na vašem oblečení a kůži vytvoří tak dokonalou vodivou zkratku, že blesk vaši gumovou podrážku prostě obejde po mokrém povrchu vašich bot.

Proto byl vynález hromosvodu (nezávisle na sobě Prokopem Divišem a Benjaminem Franklinem) tak geniální. Hromosvod blesk neodpuzuje! Naopak, on mu říká: „Tady, pojď tudy, tady mám pro tebe krásně vodivý měděný drát s minimálním odporem rovnou do země, vůbec se nemusíš obtěžovat průchodem skrz cihly tohohle domu.“

(Proč vás gumové holínky nezachrání a strom je smrtelná past)

Změna klimatu a extrémní počasí: Když pod kotlem zatopíme o něco víc

Možná jste si všimli, že bouřky jsou v posledních letech prudší a blesků je více. I tady úřaduje jasná fyzika. Jak jsem popisoval v článku o globálním oteplování, zemská atmosféra funguje jako obří tepelný motor.

Čím je planeta teplejší, tím více vlhkosti dokáže vzduch pojmout. Více tepla a více vlhkosti znamená jediné – obrovské množství skryté energie. Vytváří to mnohem silnější stoupavé proudy uvnitř mraků. Vzpomeňte si na naši analogii s ebonitovou tyčí na začátku článku. Globální oteplování v podstatě znamená, že ten liščí ohon o tyč třeme mnohem zuřivěji a déle. Výsledkem jsou bouřky s obrovským elektrickým potenciálem, které generují mnohem více blesků a extrémnějších projevů počasí.

Až příště zahřmí...

Abychom si to tedy na závěr shrnuli do jedné přehledné zkratky: Nejdřív si z mraku tenký, neviditelný průzkumník "krokne" cestu dolů. Jakmile se dotkne země (nebo vstřícného výboje), uzavře okruh a země pošle oslnivý pozdrav v podobě hlavního bleskového výboje rychlostí dosahující až třetiny rychlosti světla zase zpátky nahoru. Naše oči to nestihnou zpracovat, a tak vidíme jen "úder shůry", ale skutečný záblesk jde zespodu!

Až vás příště probudí v noci hřmění a oblohu rozčísne tahle stroboskopická show, zkuste na chvíli zapomenout na to, že zítra musíte do práce. Podívejte se z okna a uvědomte si, že se právě díváte na vzduch rozžhavený do stavu plazmy teplejší než samo Slunce. Je to nádherná a pokorná připomínka toho, jak obrovskými a surovými silami náš vesmír a naše planeta disponují.