Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 39 (vyšlo 5. října), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2007

Červené přízraky, elfové a pozemské gama záblesky

Petr Kulhánek

Dnes víme, že bouře je mnohem komplikovanější jev, než jsme si dosud mysleli. Elektrické výboje mezi mraky nebo mezi mrakem a Zemí, které známe jako běžné blesky o energii 10⁷ až 10¹⁰ J, jsou jen jedním průvodním jevem. Není to tak dávno, co se ukázalo, že některé typy výbojů mohou směřovat i vzhůru, z horních částí mraků směrem do ionosféry. Před více jak deseti lety byly také objeveny pozemské gama záblesky doprovázející rozsáhlejší bouřkovou aktivitu. Vědci tyto jevy ještě ne zcela pochopili a jsou proto předmětem rozsáhlého vědeckého výzkumu.

Červené přízraky, elfové a modré výtrysky

Záznamy o tom, že piloti letadel občas vidí výrazně barevné záblesky, (červené nebo modré), jsou velmi staré. Nikdo jim však nepřikládal většího významu. Teprve po nafilmování těchto atypických výbojů kamerami na raketoplánu se situace změnila a od roku 1990 započal jejich intenzivní vědecký výzkum. Za bouřek se z horních vrstev mraků ve výškách kolem 15 kilometrů občas vyvinou modré výtrysky (blue jets) mířící do horních částí stratosféryStratosféra – vrstva atmosféry nad troposférou. Sahá přibližně do 50 km. Teplota s nadmořskou výškou roste., do výšky 45 až 50 kilometrů. Dalším druhem výbojů jsou červené přízraky (red sprites) objevující se na dolním okraji ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce 300 km je koncentrace částic 10⁶ cm⁻³.. Na fotografiích vypadají jako visící příšerky s hlavou zakotvenou v ionosféře. Kolem těchto výbojů se vytváří zářící kruhové oblasti, snad expandující prstence či disky, kterým se začalo říkat elfové (někdy také přízračná haló).

Různé typy výbojů v horní atmosféře. Pravá stupnice znázorňuje výšku. Levé křivky odpovídají teplotě a koncentraci elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932. (nanášené na vodorovnou osu) v závislosti na výšce (na svislé ose). Prudký nárůst koncentrace elektronů odpovídá dolnímu okraji vrstvy D v ionosféřeIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce 300 km je koncentrace částic 106 cm−3., kde jsou hlavy červených přízraků a elfové. Zdroj: ESA. Nalevo: modrý výtrysk. Napravo: Červené přízraky. Zdroj: V. Pasko, Penn State Electrical Engineering

Pozemské gama záblesky (TGFs)

Gama záblesky pocházející ze Země byly objeveny v roce 1994 rentgenovou družicí COMPTONCOMPTON – Compton Gamma Ray Observatory, první obří družice NASA určená pro výzkum gama záření, hmotnost měla 17 tun a na oběžnou dráhu ji vynesl raketoplán Atlantis 5. 4. 1991. Mise byla ukončena 4. 6. 2000 navedením družice do zemské atmosféry, kde shořela. Přesnost určení polohy zdroje gama záření činila několik stupňů. Družice byla pojmenována po americkém fyzikovi Arthuru Comptonovi, nositeli Nobelovy ceny za fyziku, a to za výzkum rozptylu vysoce energetických fotonů na elektronech. Právě tento mechanizmus sloužil k detekci gama záření na všech čtyřech přístrojích družice.. Přístroj BATSEBATSE – experiment pro sledování gama záblesků umístěný na palubě družice Compton, úhlové rozlišení 10°. na této družici pozoroval přibližně 10 záblesků za rok až do zániku družice v roce 2000. Brzy se ukázalo, že v oblastech, ze kterých gama záblesky pocházejí, byla vždy intenzivní bouřková činnost. V angličtině se tyto záblesky označují TGF (Terrestrial Gamma–ray Flashes). K jejich intenzivnímu výzkumu přispěla také družice RHESSIRHESSI – Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, malá družice NASA vypuštěná 5. 2. 1992. Jejím hlavním cílem je výzkum uvolňování energetických částic při náhlých slunečních vzplanutích. Pohybuje se na kruhové dráze kolem Země ve výšce 600 km. Pojmenována je podle Reuvena Ramatyho (1937–2001), který je průkopníkem sluneční fyziky, gama astronomie a výzkumu kosmického záření. Ramaty se narodil v Rumunsku, většinu života ale pracoval v USA v NASA.. Ukázalo se, že energie gama záblesků může být i přes 10 MeVElektronvolt (eV) – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt (keV, 10³ eV), megaelektronvolt (MeV, 10⁶ eV), gigaelektronvolt (GeV, 10⁹ eV) nebo teraelektronvolt (TeV, 10¹² eV)., tedy jde o energetičtější fotony než přicházejí ze záblesků slunečních. Záblesk trvá obvykle stovky mikrosekund až několik milisekund a míří od Země směrem do vesmíru. Po gama záblesku následuje zpravidla běžný blesk směrem k Zemi. Mechanizmus tedy musí souviset se silným elektrickým polem, které je v mraku přítomno před vytvořením klasického blesku.

Nalevo: družice COMPTONCOMPTON – Compton Gamma Ray Observatory, první obří družice NASA určená pro výzkum gama záření, hmotnost měla 17 tun a na oběžnou dráhu ji vynesl raketoplán Atlantis 5. 4. 1991. Mise byla ukončena 4. 6. 2000 navedením družice do zemské atmosféry, kde shořela. Přesnost určení polohy zdroje gama záření činila několik stupňů. Družice byla pojmenována po americkém fyzikovi Arthuru Comptonovi, nositeli Nobelovy ceny za fyziku, a to za výzkum rozptylu vysoce energetických fotonů na elektronech. Právě tento mechanizmus sloužil k detekci gama záření na všech čtyřech přístrojích družice.. Napravo: družice RHESSIRHESSI – Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, malá družice NASA vypuštěná 5. 2. 1992. Jejím hlavním cílem je výzkum uvolňování energetických částic při náhlých slunečních vzplanutích. Pohybuje se na kruhové dráze kolem Země ve výšce 600 km. Pojmenována je podle Reuvena Ramatyho (1937–2001), který je průkopníkem sluneční fyziky, gama astronomie a výzkumu kosmického záření. Ramaty se narodil v Rumunsku, většinu života ale pracoval v USA v NASA..

Fyzikální mechanizmus vzniku gama záblesků není znám do detailů, ale většina odborníků se přiklání k názoru, že jde o průraz způsobený relativistickými elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932.. Pokud má elektron běžnou tepelnou energii, nemůže být v mraku urychlen na relativistické rychlosti potřebné ke vzniku gama záblesku. Jeho urychlení brání četné srážky s atmosférou. Stačí ale přítomnost jednoho jediného elektronu s velkou počáteční rychlostí. Takové elektrony vznikají jako sekundární částice při interakci kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. s atmosférou. Je k tomu zapotřebí primární částice o energii 10¹⁸÷10¹⁹ eV. Rychlý elektron totiž s atmosférou interaguje výrazně méně, jeho střední volná dráha umožní další urychlení až na hodnotu 10÷20 MeV. Jak je to možné? Představte si pomalý elektron prolétávající kolem iontu v určité vzdálenosti. Jeho dráha bude elektrickou silou zakřivena. Pokud ve stejné vzdálenosti proletí rychlejší elektron, zakřiví se jeho dráha méně. Tedy rychlejší elektrony s látkou reagují méně. Správně bychom měli říct, že účinný průřez interakce klesá a střední volná dráhaStřední volná dráha – průměrná vzdálenost mezi srážkami. V plazmatu, kde dochází jen k odklonu nabité částice z původního směru vlivem elektrických sil, chápeme střední volnou dráhu jako takovou vzdálenost, na které se částice odchýlí od původního směru o 90°. roste. A právě takové rychlé (tzv. runaway, průchozí) elektrony jsou výrazně urychlovány elektrickým polem v mraku, které má hodnotu 50÷400 kV/m. Na své cestě takový energetický elektron vytváří další energetické elektrony schopné urychlení. Vytvoří se tak úzce směrovaný kužel s vrcholovým úhlem několika stupňů směrem vzhůru. Kužel je dlouhý cca 2,5 km. Nějakým mechanizmem je svazek takto urychlených elektronů vymrštěn z horní hrany bouřkových mraků (cca 10 až 20 kilometrů) do výšky nad 30 kilometrů. Může jít o nějaký typ nestability, uvažuje se například o hvizdechHvizdy – nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (300 Hz až 30 kHz) šířící se podél magnetických silokřivek. Charakteristické je krátkodobé trvání s postupně klesající frekvencí vlny. Jde o modifikaci R vln. Poprvé byly pozorovány v kanálech blesků na Zemi Barkhausenem v roce 1919. nebo o nestabilitě vytvořené relativním driftem pomalých a rychlých elektronů. Ve výšce nad 30 kilometrů tyto elektrony svou energii vyzáří brzdným zářenímBrzdné záření – jev, kdy při průchodu nabitých částic (nejčastěji elektronů) látkou nebo atmosférou vzniká druhotné rentgenové nebo gama záření. a vzniklý úzce směrovaný gama záblesk opustí Zemi. Do jaké míry souvisí tyto gama záblesky s vytvářením červených přízraků, elfů a modrých výtrysků není dosud známo. Také není jasné, zda mohou elektrony urychlené výše popsaným mechanizmem plnit vnitřní van Allenův radiační pásVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 4 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující hmotnější částice. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Pásy objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 2. Jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka., ve kterém byly elektrony o energii 10 až 20 MeV detekovány.

Nejčastěji uvažovaný scénář vzniku gama záblesku.

Japonské pozorování gama záblesku ze Země

Dne 6. ledna byl v Japonsku při silné bouřce pozorován zcela výjimečný gama záblesk přímo ze Země. Výjimečný byl z několika hledisek. Poprvé byl pozorován mimořádně přesnými přístroji se směrovou citlivostí a současně byla pořízena nahrávka v optickém oboru. Záblesk zcela zjevně mířil k Zemi, na rozdíl od záblesků pozorovaných na oběžné dráze. Největší záhadou je ovšem délka trvání záblesku přes 40 sekund! Všechny záblesky pozorované z vesmíru mají maximální délku několik milisekund.

Gama záblesk pozorovala skupina vedená Harafumi Tsuchiyou z Laboratoře kosmického záření patřící japonskému vědeckovýzkumnému centru RIKEN dne 6. ledna v 21:43 světového času. Soustava několika scintilačních a optických detektorů byla umístěna na střeše jaderné elektrárny Kashiwazaki-Karima. Jeden typ detektorů byl schopen měřit v rozmezí energií 0,04÷10 MeV a druhý 0,6÷80 MeV. Na střeše byl také umístěn senzor elektrického pole a optický senzor. Všechny gama detektory zaznamenaly 40 sekund trvající záblesk s energetickým spektrem fotonů až do 16 MeV. Energetické spektrum bylo mocninné, tj. počet gama fotonů byl úměrný E ^β s β ≈ −1,6. Optický senzor následně zaznamenal 5 píků, které vědci interpretovali jako blesky, z nichž první následoval necelou minutu po gama záblesku. Vybití mraku bleskem způsobilo otočení polarity elektrického pole na měřícím senzoru. Jde o první a zatím jediné takto komplexní proměření gama záblesku vzniklého při bouři. Doufejme, že obdobná měření budou následovat a přispějí k pochopení mechanizmů odehrávajících se vysoko nad našimi hlavami. Snad k tomu přispěje i Evropskou kosmickou agenturouESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1973 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. plánovaný výzkum výbojů v horní atmosféře na Mezinárodní kosmické staniciISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně. V roce 2008 byl k ISS připojen Evropský výzkumný modul Columbus..

Historicky první komplexní nahrávka bouřkového gama záblesku doplněná nahrávkou
optického senzoru a senzoru elektrického pole.

Klip týdne: Gigantické výboje v horní atmosféře

Gigantické výboje v horní atmosféře. Kromě běžných blesků mezi mraky nebo mezi mrakem a zemí jsou tu a tam pozorovány výboje směrem vzhůru (mezi horní vrstvou mraků a ionosférou). Zpravidla jsou velmi intenzivně zbarveny do červené barvy (přízraky, elfové) nebo do modré (modré výtrysky). Původ těchto výbojů není přesně znám a neví se ani, zda nějak souvisí s gama záblesky pozorovanými při bouřkové činnosti. Oba záznamy v první animaci byly pořízeny 20. 8. 2007 Richardem Smedleyem nad Oklahomou za pomoci širokoúhlé kamery umístěné na Stealthově observatoři. Jde o obří výboj zasahující až do výšky cca 80 kilometrů, tedy až do ionosféry. Každý záznam si můžete prohlédnout třikrát. Dvakrát ve skutečné rychlosti a potřetí zpomalený na čtvrtinovou rychlost. Druhý dnešní klip byl vytvořen na základě nahrávky kamery na Mezinárodní kosmické stanici. Zdroje: Richard Smedley, Steath Observatory, Oklahoma 2007; ESA/ISS. (wmv, 5 MB) (wmv, 1 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu