Cena Jindřicha Zemana za fascinující Rudé skřítky

Když se v noci ze 6. na 7. srpna 2013 se českému fotografovi Pavlu Štarhovi podařilo na Vysočině fotograficky zachytit několik nadoblačných blesků typu Red sprites (Rudí skřítci) nad bouří vzdálenou asi 130 km od něj u rakouských hranic, byl to pro něj nesmírně štědrý okamžik. A přesto znamenal jen startovní čáru před dlouhou cestou, na jejímž konci stál výsledný obraz opravený o mnoho nešvarů optiky i čipu. Právě matematická „čistota“ snímku dodala cejch jednoho ze světově nejdokonalejších záběrů tohoto těžko zachytitelného nadoblačného blesku. Pavel Štarha ve spolupráci s prof. Miloslavem Druckmüllerem zároveň těmito snímky zesílili pomyslnou hrdost našemu národu, neboť nejen díky nim se čeští vědci stávají pomalu ale jistě jakousi velmocí v pozitivních pozorováních nadoblačných blesků. Už od května roku 2011 se soustavnému a sofistikovanému záznamu těchto záblesků věnuje nýdecký astronom Martin Popek. Zatímco Popkův přínos je hodnotný zejména z kvantitativního hlediska, Štarhovy snímky na celé čáře vedou v kvalitativních hodnotách.

První vlaštovky

Existenci nadoblačných blesků předpověděl již v roce 1920 skotský fyzik Charles Wilson (1869-1959), autor slavné Wilsonovy mlžné komory určené k detekci elementárních částic. Právě za svou neutuchající snahu vypracovat metodu pro zviditelnění drah elektrických částic v kondenzovaných parách byl v roce 1927 odměněn Nobelovou cenou. Bohužel „svých skřítků“ se na vlastní oči nikdy nedočkal. A ačkoliv je poměrně často pozorovali piloti letadel, nebyl jim přikládán téměř žádný význam. Zájem o ně vzrostl až po roce 1988, kdy byly reálně detekovány během zkoušek aurorální kamery v americké Minnesotě a hlavně po jejich zachycení kamerami na raketoplánech a ISS. Zejména snímky z ISS díky průzračnému prostřední daly vědcům nesporný záznam o jejich existenci a fascinovaní nadšenci začali hledat způsoby, jak je zachytit i ze Země. V roce 1990 byla existence výbojů v horní atmosféře poprvé odborně prezentována a od té doby se začíná psát historie jejich výzkumu.

Záludní skřítci a jiná blýskající zvěř

Pozorování nadoblačných blesků je tedy relativně nová disciplína a jako taková je pochopitelně provázena mnoha nevysvětlenými otázkami. Obecně jsou nadoblačné blesky jevy, které vznikají při silných bouřích jako protipóly k výrazným bleskům mezi mrakem a zemí. Při příchodu silné bouře se elektrický potenciál mezi zemí a oblakem projevuje jasnými výboji, které věrně známe, tak, že ze záporně nabitého dna bouřkového mraku kumulonimbu sjede úzkým tunelem v ionizovaném vzduchu výboj ke kladně nabité zemi. Tyto blesky zkratkou označované Cg- mohou být ovšem provázeny jakýmsi protipólem desítky kilometrů vysoko nad bouřkovým oblakem. Odborně nazývané nadoblačné blesky si v mžiku vymění náboj se záporně nabitou ionosférou. Nadoblačných blesků je přitom celá řada a mají mnoho příznačných názvů podle toho, jak se chovají či vypadají. Nejběžnější Rudé skřítky provází například tzv. Vlásečnice, pozorovat se však mohou i Elfové, Modré výtrysky či Trollové. Zevrubný přehled naleznete v článku Martina Popka na webu České astronomické společnosti. Protože se jedná o nesmírně krátké úkazy, trvající řádově jen okolo desítek milisekund, je jejich zachycení natož pak kvalitní fotografování velice obtížné. A to pochopitelně brzdí i jejich další výzkum.

Hodnotná pozorování z Nýdku

Český fotograf, astronom a pozorovatel atmosférických jevů, Martin Popek z Nýdku, přišel v květnu roku 2011 s takovou malou revolucí. Poměrně náhodou při pozorování meteorů velmi citlivou videokamerou Watec zaznamenal nadoblačný blesk při přechodu velmi vzdálené bouře. Samotná bouře byla pod obzorem ve vzdálenosti asi 200 km, ale blesk díky své výšce okolo 70 km nad zemí byl zachycen na kameře v několika fázích svého rychlého vývoje. Podobně jako u meteorů je totiž zapotřebí u nadoblačných blesků pozorovat videokamerou, která zvládne pořídit několik desítek snímků za sekundu s vysokou citlivostí, takže z několika snímků byl patrný i vývoj jevu. Martin Popek byl úkazem fascinován a rychle začal úkazy fotit pravidelně. Vždy při vědomí, že se několik desítek až stovek kilometrů od něj nachází silná bouře, zaměstnal vhodně namířenou kameru a vysokoprocesorový počítač s důmyslným programem a za první rok zachytil neuvěřitelných 136 nadoblačných blesků. V roce 2012 jich zaznamenal ještě více, neuvěřitelných 253. Ukázal tak, že jev není až tak vzácný jako spíš pro svou rychlost a jas obtížně pozorovatelný či zaznamenatelný. Jeho úspěch motivoval a rozšířil síť pozorovatelů po celém světě.

Detaily v nedohlednu

Ovšem ani kamera Watec není velkým vítězstvím. Její výhodou je, že umí pracovat s vysokou frekvencí a jednotlivé snímky jsou přitom stále doprovázeny výraznou světelnou citlivostí. Nevýhodou ovšem je, že snímá pouze černobíle, navíc v nepříliš vysokém rozlišení oproti běžným digitálním fotoaparátům, natož pak oproti pokročilejším zrcadlovkám. Malé detaily se proto zachytit nedají příliš dobře – musí jít zrovna o jev poměrně blízko k pozorovateli nebo o jev opravdu prostorově rozsáhlý. Jak přesně vypadá struktura například nejběžnějších Rudých skřítků, bylo známo z občasných snímků od šťastlivců po celém světě, kteří zrovna zrcadlovkami náhodou snímali vhodným způsobem zcela jiný úkaz na obloze. Pochopitelně na zachycení nadoblačného blesku přišli až po prohlížení snímků. A to už bylo pozdě pro pořízení potřebných dat k vhodnějšímu zpracování. Většina těchto náhodných, byť vskutku krásných záběrů trpí v místě zachyceného nadoblačného blesku vysokým šumem, nulovou korekcí objektivu a dalšími nepříjemnými vlivy. Neboť jde o záběry náhodné, je nadoblačný blesk zachycen na malé ploše snímku a jeho výřez s jevem už postrádá dostatečnou ostrost.

Jak ulovit skřítka?

Z předchozích řádek je tedy jasné, že zaznamenat nadoblačný blesk – i ten nejběžnější typ, Rudého skřítka, není žádný med. Pokud byste chtěli dosáhnout co nejkvalitnějšího záznamu, musíte mít na paměti několik věcí. Za prvé je třeba stát dostatečně daleko od „správné“ bouře. Musí tedy docházet ke zmiňovaným výbojům, které provází jejich nadoblačné protipóly. Bouře přitom musí být tak daleko, aby jasný blesk jdoucí k zemi nepřezářil červeného skřítka. Pochopitelně je třeba mít nad stropem bouře jasné nebe. Je tedy zapotřebí sledovat vývoj bouří například z dostupných družicových snímků na internetu, z nichž můžete snadno odhadnout, jak daleko se od vás jádro kýžené bouře nachází. Ideální stav je okolo 150 kilometrů vzdušnou čarou. No a to nejdůležitější na závěr – nejsou to jen jasné blesky, které skřítky přezáří. Ale rovněž světelné znečištění. Když už máte správně namířeno, pokud možno světelnějším objektivem s větším ohniskem, je nejlepší pořizovat krátké – řádově několikasekundové expozice. Na delších expozicích se nahromadí nejen nepříjemný šum, ale rovněž jas oblohy, který může skřítka doslova na fotografii zneviditelnit.

Nejlepší fotografie

Snímky pořízené Pavlem Štarhou v noci ze 6. na 7. srpna 2013 a zpracované ve spolupráci s prof. Miloslavem Druckmüllerem v následujících dnech patří patrně k tomu nejlepšímu, co se za celou historii záznamů rudých skřítků ve světě podařilo pořídit. Za kvalitou a čistotou snímků stojí zejména štěstí, správné načasování i místo pozorování, chladná hlava a pochopitelně důmyslně zvolený matematický postup následného zpracování surových dat z digitálního fotoaparátu. Štarha a prof. Druckmüller využili veškerých svých znalostí a matematického aparátu, který měli zrovna po ruce a byli schopni jej na beztak těžce zpracovatelné obrázky aplikovat. Do úprav zahrnuli fotoelektrické vlastnosti čipu fotoaparátu, vady objektivu i světelné podmínky, které při pořízení snímku panovaly. Díky jeho puntičkářské práci na snímcích takříkajíc vylezly i ty nejniternější detaily ve strukturách zaznamenaných rudých skřítků, počítaje i správně interpretovanou barvu úkazu. Přínos těchto obrázků spolu s dlouhodobým pozorováním Martina Popka z Nýdku je obrovský a nesmírně posouvá hranice poznání o nadoblačných blescích.

O autorovi

Na závěr ještě několik málo slov o autorovi snímku, kterým je Ing. Pavel Štarha, Ph.D., a o jeho cestě za astronomií a rudými skřítky. Pavel Štarha se od mládí věnoval elektronice. Programování legendárních počítačů s procesory Z80 bylo jeho vášní již při studiu středního odborného učiliště elektrotechnického v Brně. Stejně tak radioamatérské vysílání pod volací značkou OK2UUA a samozřejmě stavba nejrůznějších elektronických zařízení. Životním zlomem se stalo studium matematického inženýrství na VUT v Brně, zlomem astronomickým pak setkání s profesorem Miloslavem Druckmüllerem. Tedy další koníček v podobě astrofotografie spolu s numerickými metodami zpracování obrazu. Následovalo využití všech dosavadních zkušeností při vývoji různých elektronických zařízení, které usnadňují a zpřesňují práci při pořizování nejen digitální fotografie, například ovladače paralaktických a azimutálních montáží. Posledním zařízením je časovač pro více fotoaparátů současně podle předem stanoveného časového schématu. No a vše samozřejmě ústí do úžasných astronomických fotografií. Nejen hvězdami však živ je člověk, a tak se Pavel Štarha baví i sportem či hasí požáry se sborem dobrovolných hasičů Pernštejn.

Ing. Pavel Štarha, Ph. D.
Rok narození: 1974
Místo: Nedvědice
Kontakt: starha@fme.vutbr.cz
WWW stránky: http://www.zam.fme.vutbr.cz/~starha

Další snímky Pavla Štarhy

Autory textu jsou Marcel Bělík a Petr Horálek.

Poznámka redakce: Další informace o bouřkové aktivitě v noci ze 6. na 7. srpna 2013 si můžete pročíst v zevrubném článku Martina Popka.