Jak pozorovat blesky v horních vrstvách atmosféry

TLEs je zkratka pro Transient luminous events, což lze volně přeložit jako Přechodně světelné události. Jde o poměrně vzácné jevy, které není vůbec snadné pozorovat běžnými prostředky z důvodu jejich velmi krátké doby trvání (1/100000 až 1/20 s). Až na velmi blízké a jasné výjimky jsou pro lidské oko téměř nepostřehnutelné, přičemž jejich dokumentaci umožnil v posledních letech až rozmach CCD techniky. Již dříve byly tyto jevy občas pozorovány, ale bez řádné fotografie nebo video dokumentace zůstávaly TLE tajemnými a teoretickými jevy, o kterých se jen opatrně povídalo. Jako první se o šipkách světla vystupujících nad mraky zmiňuje roku 1886 (MacKenzie a Toynbee), 1903 (Everett) viděl nad oblačností světelné stopy do výšky 15°, 1937 (Malan) pozoroval nad mraky málo jasné a dlouhé úkazy načervenalého zbarvení a 1951 (Wood) viděl nad bouřkou útvary podobné obráceným kořenům stromu. Avšak až 6. června 1989 je zcela náhodně zachytili studenti Robert Franz a Robert Nemzek pod vedením profesora Johna Wincklera v minnesotské prerii při testech CCD kamer a tak byly definitivně uznány ve světle vědy.

Jednotlivé druhy TLE aneb jaké nadoblačné blesky můžeme pozorovat

 

Tři nejlépe pozorovatelné druhy TLE!

 

Red Sprites (Rudí skřítkové)

• výskyt nad silnými bouřkovými systémy typu MCS (mesoscale convective systém) a MCC (mesoscale convective komplex) s výraznou stratiformní oblastí
• vznik je většinou spjatý s tzv. kladnými blesky typu oblak-země o vysoké hodnotě špičkového proudu CG+ (positive cloud to ground)
• tzv. negativní zdrojový blesk typu oblak-země (CG-) je velkou vzácností!
• Amplituda špičkového proudu se pohybuje nejčastěji mezi 20-100 kA
• první pozorování 23. září 1989 z Minesotské prerie, USA (z ČR 11. srpna 2008)
• tvarové typy sprites: column (sloup), carot (mrkev), angel (anděl), trees (strom), wishbones (ptačí kost), jellyfish (medůza) a další tvarově nezařazené
• tvarové typy skupin sprites: standig (stojící), dancing (tančící), linear (linearní), ring (kruhové) a Re-sprites (znovu zjasnění již pohasnutého sprites)
• vyskytuje se ve výšce kolem 50-90 km a mají červenou barvu
• trvá velmi krátce 1/10-1/100 s, ale v případě, že se vyskytují ve větším počtu, může vzácně celkový čas doby trvání skupin dosáhnout i 0,5-1,0 s
• mezi TLE se jedná o drtivě nejběžnější jev pozorovaný ze země

Video Red Sprites, Sprites halo a Troll jets zachycené vysokorychlostní kamerou z dvou aktivních bouří  6-7 srpna 2013.

 

Sprites halo (Halo)

• výskyt nad silnými bouřkovými systémy typu MCS a MCC s výraznou stratiformní oblastí
• První pozorování koncem roku 1989 (z ČR 26 května 2011)
• vznik je většinou spjatý s blesky o vysoké amlitůdě špičkového proudu a to typu CG+, samostatná sprite halo mívají, ale často zdrojový blesk CG-
• Průměrná amplituda špičkového proudu zdrojového blesku se pohybuje mezi 50-200 kA
• nad Evropou je v drtivé většině doprovázen úkazem typu Red sprites
• většinou úkaz o malé jasnosti ve tvaru elipsovitého disku o průměru do 100 km
• životnost úkazu se pohybuje kolem 1/100-1/300 s a jedná se o druhý nejběžnější úkaz
• výskyt ve výšce kolem 85 km

Video Red sprites a Sprites hala z let 2014-2015.

 

Elves (Elves, Elf)

• výskyt nad všemi typy bouří včetně komplexu (MCS, MCC a SQL). SQL (squal line-bouřkové buňky jsou uspořádány v linii)
• podoba rychle expandujícího kotouče o průměru 300-500 km a vyskytuje se ve výšce 75-105 km
• vznik je spjatý s blesky o vysoké amplitudě špičkového proudu
• průměrná amplituda špičkového proudu se pohybuje mezi 150-350 kA, ale může být i přes 500kA. V ČR měly zatím rekordní zdrojové blesky +495 a -319kA!
• první pozorování 7 října 1990 z raketoplánu nad Francouzkou Guyanou (z ČR 5 června 2011)
• možný větší výskyt u bouří nad nad vodní hladinou a zimních bouří vzhledem k větší pravděpodobnosti velkých špičkových proudu
• občas ve společnosti Red Sprites nebo Sprites hal, ale samostatný Elf není vzácností spíš naopak
• jejich zdrojem jsou elektromagnetické impulzy generované velmi silnými bleskovými výboji. Elektrony ve spodní části ionosféry se těmito impulzy ohřejí, rychle se pohybují a sráží se s molekulami dusíku, které se vybudí a vyzáří expandující světelné kolo
• Elves (je anglická zkratka Emissions of lght and very low frequency perturbations from electromagnetic pulse sources)
• životnost se pohybuje kolem 1/100000 s

Video čtyři Elfové a dva Red sprites z bouře nad západem Čech (2 dubna 2017).

Tyto jevy jsou celkem běžné pozorovatelné. Během 4 let pozorování vysokocitlivými kamerami v Nýdku to vychází statisticky, že na 100 Red sprites připadá 10 Sprites hal a jeden Elves. Zde se již dostáváme k jevům velmi vzácným s počty pozorování celosvětově jen v řadě maximálně desítek úkazů u jednotlivých typů TLE. Zachycení výtrysku (tzv. jetu) je celkem o náhodě a jen možná každá stá TLE aktivní bouře může produkovat jety. Nad Evropou jsou jety velmi vzácné s úspěšným zachycením jednou za několik let. I přes množství TLE pozorovacích projektů nad naším kontinentem se povedlo zachytit jen několik jetů a to většinou typy Troll jets nebo Blue starter. A v roce 2018 se povedlo pozorovat první obří výtrysk (tzv. gigantic jet) nad střední Evropou!

Sekundární výtrysky-dva druhy TLE jenž propojují Red sprites s mateřskou bouřkou!

 

Troll jets (Troll, Trolí výtrysk)

• výskyt nad silnými bouřkovými systémy typu MCS a MCC s výraznou stratiformní oblastí
• patří mezi tzv. sekundární jety, které jsou spjaté s výraznými úkazy red sprites.
• je zde souvislost s výskytem CG+ výbojů s velmi vysokou amplitudou špičkového proudu
• trolové mají červenou barvu a vyskytují se ve výšce 50-30 km nad zemským povrchem
• troll je zkrátka pro Transient Red Optical Luminous Lineament
• pro Trola je typická velmi světlá hlava. Objevují se v oblasti kde je tendrils (vlásečnice pod tělem red sprites) a v podobě jasných bodů směřuji pomalu vzhůru
• je ale stále nejisté, zda se jedná o prodloužení tendrils, a ty se ve skutečnosti stahují nad vrcholky mraků, nebo se případně Trol vynoří z bouřkového oblaku jako reakce na Red sprites

Video Red sprites a Troll jets 25 června 2017.

 

Trailing jets (Koncový výtrysk)

• výskyt nad silnými bouřkovými systémy typu MCS a MCC s výraznou stratiformní oblastí
• patří mezi tzv. sekundární jety, které jsou spjaté s výraznými úkazy red sprites
• pohybuje se ve stejném směru jako typ Troll jets, ale vychází přímo z bouřkového oblaku
• je zde souvislost s výskytem CG+ výbojů s velmi vysokou amplitudou špičkového proudu
• tento typ jetu zatím nebyl pozorován z Evropy

Tři druhy velkých výtrysků z bouřkových jader a zároveň to nejvzácnější z druhů TLE!

Blue Jets (Modrý výtrysk)

• výskyt nad bouřkovým jádrem s výraznou bleskovou aktivitou
• první pozorování 21 října 1989 z raketoplánu nad Austrálii
• mají modré zbarvení a tvar kouře z komína
• může expandovat z vrcholu bouře až do výšky nad 50 km
• trvá 1/20-1/40 s.

Video Blue Jets a Blue starter z bouřky nad Japonskem.
 

Blue starter (Modrý startovač)

• výskyt, čas úkazu a barva je stejná jak u Blue jets
• expanduje do výšky maximálně 20-25 km
• byl prvně pozorován 30 červena 1994 z bouře nad Arkansasem
• zřejmě se jedná o počáteční fázi a nedokončený Blue jets

Gigantic Jets (Gigantický výtrysk)

• výskyt nad bouřkovým jádrem s výraznou bleskovou aktivitou
• první pozorování 14 září 2001 z observatoře Arecibo v Portoriku
• je zde souvislost s výskytem blesku typu Cg+, ale vzácně může být zdrojem i Cg-
• velmi vzácný (existuje snad jen 15-20 pozorování) ale nesmírně silný úkaz
• podobnost s Blue Jets s tím rozdílem, že horní část se jeví "roztřepená" a podobná Red Sprites typu column nebo trees
• může expandovat až do výšky nad 80km během 1/20 s s občasnou asistencí Red sprites
• jsou známá jen dva pozorování z Evropy

Video Gigantického výtrysku pozorovaného v prosinci nad Středozemním mořem!

Dva nejmenší druhy TLE!

Gnomes (Gnomes, Trpaslík)

• výskyt zřejmě stejný nad bouřkovým jádrem s výraznou bleskovou aktivitou
• velmi malé světelné protáhlé body nad bouřkovým oblakem o šířce 200 m a délce maximálně 1 km
• trvají jen v rozmezí 30-150 ms a úkaz má možnou spojitost s jety
• směřují nahoru, aniž by vycházely přímo z bouřkového oblaku

Pixies (Pixies, Malý trpaslík)

• výskyt zřejmě stejný nad bouřkovým jádrem s výraznou bleskovou aktivitou
• jsou ještě menší než Gnomes, takže se jeví jako stacionární body a měly by mít šířku maximálně 100 m
• na prvním videu, které tento úkaz dokumentoval, vypadaly jako náhodně rozptýlené body nad vršky bouřkových kovadlin s dobou trvání 1-50 ms
• jak Pixies tak Gnomes jsou bílé nebo modré barvy podobně jako troposferické blesky nebo jety, ale mezi těmito úkazy zřejmě není žádná spojitost  

Další nezařazené typy TLE

Velmi vzácně se můžou vyskytnou nadoblačné blesky, které svým tvarem a pohybem se nedají zařadit do žádného druhu TLE. Jeden takový mezosferický blesk s velmi dlouhým trváním (téměř 0,5s!) a atypickým pohybem k ionosféře se vytvořil nad MCC bouří 2 července 2012.

 

TLE na VLF-ELF rádiových vlnách

TLE včetně jejich zdrojových blesků jsou zaznamenatelné i v radiové oblasti velmi nízkých a extra nízkých frekvenci( VLF a ELF). Tento signál je většinou zachytitelný až na vzdálenosti 15 tisíc km a to v oblasti velmi nízkých frekvencí. U výrazných úkazu je však možnost zachycení doslova celoplanetární! Na obrázku je křivka proudového momentu vypočítaného ze záznamů naměřeného magnetického pole detektorem v polské stanici Hylaty (Janusz Mlynarczyk) kde jsou vidět odezvy zdrojových CG+ troposférických bleskú a mezosférických Red sprites. Zvláštnosti je poslední impulz (cca. 650ms od začátku záznamu). Jde o dozvuk nejsilnějšího CG+ po oběhu kolem Země.

Výrazný rádiový podpis mají Elfové. Na snímku čtyři Elfove a Red sprites z 2 dubna 2017 a nízkofrekvenční signál německého vysílače DHO38 zaznamenaný na Slovensku (Rudolf Šlosiar). V časech odpovídajících výskytu Elfů a skřítků je na signálu vysílače určeného pro komunikaci s ponorkami vidět výrazná změna síly signálu. To je způsobeno tím, že se signál vysílače při cestě z Německa na Slovensko odrazil od spodní vrstvy ionosféry zrovna blízko výskytu Elfů, kteří způsobily změny v odrazivosti ionosféry.

Video Red sprites (30 května 2013) z Nýdku a elektromagnetický signál spritu zachyceného na univerzitě Bath v Anglii (Martin Fullekrug) převedený do slyšitelného formátu.

 

Nyní už víme, jak tyto "nadoblačné blesky" vypadají a teď se podíváme, jakým způsobem je tedy můžeme nejlépe pozorovat a kde se vyskytují.  

Jak pozorovat TLE?

V první řadě potřebujeme vhodné podmínky. Tím se myslí především bouřkový komplex (MCS nebo MCC), který je od nás vzdálen tak, abychom mohli bez obtíží vidět nad bouři. Doporučená vzdálenost je z důvodu větší jasnosti a rozlišení úkazu alespoň 200-400 km, ale podle podmínek to může být méně i více. Spodní hranicí vzdálenosti určuje oblačnost ze samotné bouře a horní vzdálenost výška obzoru. Horní hranice se může pohybovat kolem 700-800 km. Rozmezí vzdálenosti jednotlivých pozorování z Nýdku se pohybují mezi 37-821km. Dále potřebujeme přiměřeně bezoblačný výhled nad bouři (oblačnost typu cirrus a cirrostratus sprity přesvítí). TLE jde pozorovat v ČR celoročně. Hlavní pozorovací sezona ve střední Evropě je od května do září s možným prodloužením období aktivních bouří v měsících duben a říjen. Po zbytek roku pozorujeme většinou bouřky nad jihem Evropy a jen velmi vyjímečně se může objevit TLE aktivní bouře zimního typu ve střední Evropě. Kamerovými systémy je možné zachytit za rok nad střední Evropou 20-40 TLE aktivních bouří, ale ne vždy musíme mít štěstí. TLE se nevyskytují vždy, a tak se velmi snadno dostaneme do situace, kdy se nad bouří zrovna nic neodehrává, nebo se díváme u rozsáhlejších systému na neaktivní oblast. Proto v roce 2013 Maďarský pozorovatel Jozef Bór založil facebookovou TLE stránku pod názvem International Observers of Upper-Atmospheric Electric Phenomena, kde pozorovatelé TLE dávají mimo jiné i včasné výstrahy o pozicích TLE aktivních jader.

Zde přibližně meteorologické charakteristiky bouří jenž vytvařejí Red sprites nad střední Evropou, ale i v tomto se mohou vyskytovat vyjímky

• oblačné vrcholky Sprites aktivních bouří dosahují výšky až 10–12 km. To odpovídá nejchladnějším vrcholkům mraků v rozmezí teplot mezi −55 °C až −65 °C
• typ bouří MCS, MCC a v menší míře možná i SQL a bouře o velmi malé bleskové aktivitě s jádry v pozdní fázi vývoje
• jednotlivých pozorování Red sprites jsou v čase zvýšeného výskytu CG+ a CC blesků s poměrně vysokými špičkovými proudy
• více identifikovaných Sprites zdrojových blesků dochází v regionech bouří, kde je menší radarová odrazivost mezi 25 dBZ až 35 dBZ a nejsou pozorovány v oblastech s nejvyšší odrazivosti
• rozložení hodnot radarové odrazivosti naznačuje vznik Sprites v zadním stratiformním regionu jednotlivých MCS bouří

• 

Meteorologická data vhodná pro orientaci a předpovědi místa možných TLE bouří

 

Blitzortung a CELDN - data z detektoru blesků vhodná pro nastavení směru azimutu za pomocí kompasu

• http://www.blitzortung.org/Webpages/index.php?lang=en&subpage_0=15
• http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/blesk/data_jsceldnview.html

Družice MSG - pomocí snímků v produktu IR a Airmass můžete vyhledat vhodnou MCS bouři

• http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/sat/data_jsmsgview.html
• http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/RGB/AIRMASS/CENTRALEUROPE/

Aktualní radarová data

• http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/rad/data_jsradview.html

Estofex - předpověd bouřek nad Evropou

• http://www.estofex.org/

Doporučené vybavení

Velmi úspěšnou variantou je pořízení speciální vysoce citlivé kamery (průmyslové bezpečnostní kamery) s k tomu vhodným světelným objektivem. Nejvíc se používá kamera Watec 902H2 Ultimate (rozlišení 720x576 px a cena 9-10 tisíc kč). Jsou zde i levnější varianty, kterou pozorují pozorovatelé meteorů. Sony Effio VE-6047EF/0SD (rozlišení 960x582 px zmenšené v programu UfoCapture na 720x576 px). U těchto kamer je třeba odstranit IR filtr z CCD čipu. Cena obou alternativ je ve srovnání s kamerou Watec jen 20-30 procentní, ale zhruba na stejné procento je snížena úspěšnost v počtu zachycených TLE u středně a vzdálených bouří. Je zde i možnost nejdražší varianty s možnosti digitálního nastavení (cena 18-19 tisíc kč) kamera Watec 910HX. Tato kamera má stejný čip co verze 902H2, ale díky digitálnímu nastavení zde není problém s páskováním obrazu, hot pixly a kamera netrpí přepalem obrazu jasných části sprites. Ke kamerám je třeba zakoupit 12v síťový adaptér.

Nastavení kamer proberte se zkušenějším pozorovatelem!

 
 

Objektivy nejlépe manuální ¾ nebo megapixelové Computary 8-12mm a velmi světelné kolem F 0,8-1,4. U megapixelových objektivu je třeba zakoupit redukční kroužek mezi kameru a objektiv.

V případě více kamer doporučuji na jednu kameru použít větší objektivy. Zde srovnání stejné skupiny sprites z objektivy Computar 10,5/1,0 a Super Takumar 50/1,4 (u objektivu na M42 závit je třeba vyrobit redukci o délce 30mm). Objektivy o větším zoomu (25-50mm) zvýši možnost zachycení méně jasných TLE nebo jednotlivých slabších částí sprites o přibližně 3-4 magnitudy!

Dalším článkem pozorovacího systému je převaděč signálu z analogové kamery do digitálního tvaru, který dál putuje do počítače. Jako velmi kvalitní a cenově dostupný se osvědčil Dazzle DVC. Bohužel tento typ se momentálně přestál vyrábět, ale stále je běžně k sehnání na aukčních webech Aukro nebo Ebay.

 
Nezbytnou součástí vybavení na lov TLE je speciální detekční program – UFO Capture V2 a stále připojený a dostatečně výkonný počítač.

Nastavení programu UfoCapture proberte se zkušenějším pozorovatelem!

Zde možnost zakoupení programu UfoCapture: http://sonotaco.com/soft/e_index.html

Doporučené minimální parametry počítače tvůrcem detekčního programu UfoCapture.

• UFOCapture vyžaduje rychlé CPU a HDD.
• CPU > Pentium M 2,0 GHz    
• HDD > 5400 50 GB vnitřní disk
• Window XP 7,8,9 a 10

Důležitou součásti celého systému je možnost určení co nejpřesnější času jednotlivých úkazu. Existuji zde dvě možnosti. Systémové řízení času pomoci programu jako je např. TimeMemo s přesností asi 0,2s. Zde možnost stažení: http://www.astrosurf.com/astropc/oldversion/timememo/index.html

Nebo zde existuje druhá varianta s velkou přesnosti času až jedné tisíciny sekundy. GPS vkládač času jako je např. TIM-10. Ten vkládá přesný čas z GPS modulu do analogového videa.  Na originalním videu jsou čísla za desetinnou čárkou nečitelná. Vložením do programu UfoAnalyzer nebo UfoCapture a zakliknutím D.I.stepping (De-Interlace Stepping) se zobrazí originální čas levého a pravého snímku (O a E).

Jak zpracovat odpozorovaná data

Pokud jste zvolili variantu zachycení TLE pomoci vysokocitlivých kamer přes detekční program UfoCapture můžou mít vaše data cenu pro vědeckou komunitu! Můžete tak přispět k výzkumu těchto stále záhadných bleskových výbojů v atmosféře.
Co vše je třeba dodržet aby byla vaše data cenná pro vědeckou komunitu:

• Přesný čas jednotlivých úkazů je hlavní prioritou! Přesnost by měla být alespoň na desetiny sekundy, tak aby se daly data bez problému srovnat např. s detekci blesků nebo záznamy elektromagnetických signálů.
• V detekčním programu používejte jen čas UT a mějte vždy správně nastavenou polohu pozorovatele!
• Velmi cenné je video! Na něm je vidět vývoj úkazu na časové ose. Proto jsou TLE na klasické fotografii z DSLR zcela bezcenné!
• Velmi důležité je co nejlépe zmapovat aktivitu bouře! To je vždy v rámci toho co dovolí počasí, pozorovací systém a osobní čas aktivně se věnovat pozorování
• Pomocí souboru z detekčního programu je třeba zjistit polohu jednotlivých TLE (viz. zpracování dat v programu UfoAnalyzer).
• Dbejte na kvalitu záznamu! Nekvalitní kamery, příliš velké zorné pole a nevhodná pozice kamery můžou znehodnotit záznam.

Program UfoAnalyzer

Program UfoAnalyzer je možné bezplatně stáhnout zde i s manuálem: http://sonotaco.com/soft/e_index.html

Nastavení a zpracovaní dat v programu UfoAnalyzer proberte se zkušenějším pozorovatelem!

Tyto oblasti mají pro ASIM zvláštní význam. V těchto oblastech jsou k dispozici další přijímací zařízení pro výzkum nadoblačných blesků, a proto byly vybrány.

Pokud máte zpracovaná data vše můžete odeslat v těchto dvou formulářích na brahe@volny.cz. Veškerá data putují do centrály Eurosprites, Ústavu fyziky atmosféry v Praze, následně i projektu ASIM a v budoucnu i pro sondu Taranis. Pokud budou vaše data následně využita k dalšímu zpracovaní budete o tom zpětně informováni.

Zde mapka souřadnic a jak vypsat formulář pro Eurosprites

Zde ukázka formuláře pro Ústav fyziky atmosféry

Poděkování:
Děkuji kolegyni Ivaně Kolmašové za cenné rady a připomínky k textu.

Přeji úspěsný lov!

 

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] http://asim.dk/
[2] http://www.kosmonautix.cz/2018/05/prvni-data-z-evropskeho-lovce-bouri-na-iss/
[3] https://taranis.cnes.fr/en/TARANIS/index.htm
[4] http://okf.ufa.cas.cz/taranis/