Jas zeleného záblesku při západu Slunce ovlivňuje tloušťka ozónové vrstvy

Ze 13. července 2020: Pokusil jsem se simulovat vliv ozónové vrstvy na intenzitu zeleného záblesku. V úvahu jsem pro lepší simulaci vzal vyšší hodnoty hustot ozónové vrstvy, než jaké máme v zemské atmosféře. Důvodem je snaha lépe nasimulovat lom, rozptyl i absorpci slunečního záření ozónem, vodou a tetraoxygenem a jejich vliv na vzhled zeleného záblesku.

Již v dubnu 2018 jsem provedl první měření ukazující na vliv ozónu na posun červené a zelené složky slunečního světla při jeho západu / východu a vznik zeleného záblesku. Také jsem vysvětlil, že za vzácných podmínek s velmi nízkým obsahem atmosférického aerosolu a dokonalým gradientem atmosférické teploty může sluneční paprsek procházející atmosférou k pozorovateli při západu / východu Slunce vést k vysoké efektivní délce dráhy ozónovou vrstvou mezi nadmořskou výškou asi 12 a 40 km. Taková kombinace vysoké průhlednosti a vysoké hustoty sloupce ozónu může vést k posunutí barvy zeleného záblesku směrem k modré a vytvořit velmi zřídka viděný „modrý záblesk“. Viz nádherná fotografie Guillaume Blancharda na Evropské jižní observatoři v Paranalu v Chile. Tento obrázek byl pořízen od Paranalu v nadmořské výšce téměř 2 600 metrů.

Níže uvedená animace používá model atmosférické extinkce (rozptyl + absorpce) pro ilustraci spektrálního chování za podmínek, kdy lze očekávat zelený záblesk. To je obvykle pohled z vysokého kopce či vrcholu nějaké hory na jasný oceánský horizont v momentě, kdy převládající vítr nad oceánem má velmi nízký obsah aerosolu. (animace se otevře v novém okně)

K simulaci je nutné brát v úvahu míru tzv. atmosférické extinkce, resp. to, co ji ovlivňuje. Atmosférická extinkce je zeslabení světla kosmického tělesa zemskou atmosférou v závislosti na jeho aktuální výšce nad obzorem. Jistě každý ví, že čím je níž Slunce, tím září méně intenzivně. Stejně tak Měsíc nízko nad obzorem svítí slabě a až vystoupá, je výrazně jasnější. Dvě relevantní proměnné v extinkčním modelu jsou obsah aerosolu v atmosféře aa předpokládaná hustota vrstvy ozónu. Pro rozptyl paprsků a aerosolů jsem použil relaci v knize Astrofyzikální Počty (Astrophysical Quantities, 3. vydání) od C. W. Allena, The Athlone Press, 1973. Pro průřezy molekulární absorpce používám relevantní data ze studií Molekulární spektroskopie a chemické kinetiky na IUP University v Bremenu.

Graf ukazuje spektrum od UV až do blízkého infračerveného záření Slunce nad zemskou atmosférou (šedá čára) převzaté z kalibrační databáze Hubbleova Vesmírného Teleskopu. Vzhled Slunce s refrakčním středem na horizontu je znázorněn jako spektrum modré čáry. Pro účely této simulace je obsah aerosolu považován za pouhých 10% toho, co se považuje za normální čistou atmosféru, tj. velmi čistý vzduch. Můj extinkční model nezahrnuje jiné absorpční linie než od ozónu, uvažuji tedy zejména vodu, molekulární kyslík a tetraoxygenu. Tzv. Kolizně Indukovaná Absorpce (Collisionally Induced Absorption – CIA) z tetraoxygenu skutečně přispívá k zjasnění zeleného záblesku, neboť se podepisuje na jevu známém jako Chappiusova absorbce v ozónu – tedy propustnost kratších vlnových délek zemskou atmosférou.

Normální obsah ozónu v atmosféře by měl mít tloušťku přibližně 3 mm nad hladinou moře (standardní teplota a tlak). Ozón však není distribuován atmosférou rovnoměrně. To znamená, že obvyklý způsob výpočtu dráhy slunečního světla procházející atmosférou v různých nadmořských výškách není dobrým vyjádřením hustoty ozónové vrstvy. Dále je třeba uvažovat různé vrstevní teplot v atmosféře. Když je Slunce na obzoru, lom jeho světla v atmosféře v různých teplotních vrstvách může vést sluneční paprsek různými cestami, které mohou mít za následek delší než normální průchod ozónovou vrstvou. Proto se na standardní modely nedá spoléhat.

Zde uvedená animace ilustruje účinek zvýšení efektivního obsahu ozónu ve slunečním světle na obzoru z nuly po krocích odpovídajících standardnímu tloušťce ozónu 3 mm až k desetinásobku této hodnoty. Pochopitelně horní limit hodnot je již nereálný, takové tloušťky ozon nedosahuje, uvádím ji jen pro lepší pochopení na teoretické bázi. Jak animace postupuje, všimněte si, že nejprve projeví se Chappiusova absorbce v oranžové části spektra. Čím je pak ozón tlustší, křivka se prohlubuje, což má za následek jasné oddělení červeného a zeleného světla od Slunce. Diferenční lom atmosféry pak může vést k jasnému prostorovému oddělení zelené části slunečního záření od červené a oranžové. A zde tedy vidíme zvýraznění zeleného záblesku na tloušťce ozónu. Všimněte si však také, že zvyšující se absorpce vede k tomu, že se zelený pás výrazně pohybuje směrem k modré, což může vysvětlit jev vzácného modrého záblesku.

Otázkou zůstává, co vede k vzácnějšímu modrému záblesku. Atmosférický fyzik Andy Young se domnívá, že přechod ze zeleného na modrý blesk může být výsledkem velmi nízkého obsahu aerosolu, viz tato práce. Young dodává, že proces v atmosféře vedoucí k mnou modelovaným podmínkám je stále nepochopen. Tedy nemůžeme např. z předpovědi počasí a rozptylových podmínek či míry aerosolu v atmosféře zcela jistě předpovědět, že na daném místě uvidíme a zaznamenáme tak či onak jasný zelený či dokonce modrý záblesk. Je ale jasné, že výrazně větší šance na zpozorování jasného zeleného modrého záblesku budeme mít z vysokých nadmořských výšek než například z nějaké pláže. Dokud nebude možné prozkoumat dobrá spektroskopická pozorování tohoto jevu, bude obtížné skutečně posoudit relativní přínosy refrakce, rozptylu a absorpce k tomuto složitému a fascinujícímu jevu. Každopádně je to rozhodně fotograficky-vědecká výzva pro každého z nás!

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Robert Fosbury - Vědecké publikace
[2] Robert Fosbury - Wikipedie

Převzato: Robert Fosbury - Flickr