Gravitační a akustické vlny v atmosféře, aneb když to v atmosféře vře a bouchá

/ 26.06.2023 /

RNDr. Martin Setvák, CSc. je člověk, kterého zájem o dění nad hlavou, přivedl nejprve k astronomii. Tato láska k obloze mu zůstala i nadále, jen se změnila vzdálenost sledovaných objektů. Namísto světelných let se v současnosti zabývá objekty vzdálenými řádově několik světelných mikrosekund, čili v atmosféře Země. Nicméně meteorologické jevy, kterými se Martin Setvák profesionálně zabývá, mají s astronomií přeci jen hodně společného. Jsou viditelné pouze v noci a pro krajinářské astrofotografy je jejich zachycení něco jako zlatým grálem.

Airglow, nebo též „nightglow“ je velice slabé přirozené globální světélkování pozemské atmosféry, většinou ve výškách mezi 85 až 100 kilometry. Atmosféra se během dne „nabije“ UV zářením ze Slunce a v noci potom dochází k jejímu postupnému vyzařování. Zpravidla bývá toto světlo mnohem slabší než například polární záře a proto, pokud byste jej zahlédli očima, určitě byste jej vnímali pouze černobíle. Airglow bývá někdy za ideálních podmínek viditelné i z ČR. Projevuje se však pouze tak, že obloha není zcela černá a očima jej tedy prakticky nelze odlišit od světelného smogu. Na fotografiích se pak jeví jako červený, nebo zelený jas oblohy.

V atmosféře se uplatňuje hned několik mechanismů, které vedou k vyzařování energie v různých barvách v různých výškách. Existuje dokonce i modré airglow, ale často bývá viditelná žlutá až oranžová barva, která vzniká smícháním hlavních barevných složek airglow – červené a zelené barvy. Atmosféra samozřejmě vyzařuje airglow nepřetržitě a ve dne je dokonce airglow asi o tři řády jasnější než noční nightglow. Jenže ve dne není airglow pochopitelně přímo pozorovatelné, protože sluneční světlo jej beznadějně přezáří rozptýleným modrým světlem denní oblohy.

Airglow je velmi proměnlivý jev, měnící se v řádu minut, jehož strukturu nebylo možné v minulosti na černobílých fotografiích s dlouhými expozicemi zachytit. Byl patrný pouze jako závoj přes celé nebe. Teprve s příchodem velmi citlivých čipů bylo možné pořídit fotografie zobrazující zajímavou strukturu tohoto jevu. Airglow se zpravidla nevyskytuje jako rovnoměrná vrstva, ale nachází se v něm různé nehomogenity, vlny a podobně. Ze zemského povrchu se jedny z nejkrásnějších obrazů nočního airglow podařilo zachytit našemu vynikajícímu astrofotografovi Petrovi Horálkovi. Z kosmického prostoru, například z ISS, bývá zase dobře patrná vrstevnatost airglow.

Airglow mám může také dobře posloužit ke zviditelnění některých bouřlivých jevů odehrávajících se v atmosféře, nebo na povrchu Země. Díky airglow patrné, že například hurikán, přestože se vyskytuje v troposféře, nejnižší vrstvě atmosféry, dokáže ovlivnit i vrstvy ležící 100 km vysoko! Ale nejen hurikány, ale též silné konvektivní bouře, jetstreamy, anebo sopečné erupce dokáží ovlivnit prostřednictvím tzv. atmosférických gravitačních vln, strukturu mnohem vyšší části atmosféry, mezosféry a mezopauzy. Rychle proudící vzduch – jetstream způsobuje v airglow vlny podobné dunám na poušti, zatímco silné bouře a sopečné výbuchy vytváří soustředné vlny podobné kruhům na vodě. Více koncentrických vln airglow, pocházejících například z několika bouří, se mohou dokonce skládat a vytvářet v podstatě interferenční obrazce!

Zcela nový pohled na airglow nám přineslo pozorování pomocí nové generace meteorologických družic, které jsou jsou vybaveny vysoce citlivým přístrojem VIIRS a jeden z jeho kanálů – DNB (Day/Night Band) se stal hlavním nástrojem pro současný výzkum nightglow a světelného znečištění na naší planetě.

Obrazy rozvlněného airglow, které nám RNDr. Setvák ve své přednášce ukázal, byly naprosto úžasné. Asi nejvíce dechberoucí byla ukázka výbuchu tichomořského vulkánu Hunga Tonga ze dne 15. ledna 2022. Sopečný oblak pronikl extrémně rychle do stratosféry asi 50 km vysoko. Akustické i atmosférické gravitační vlny pronikly ještě mnohem výš, takže došlo i k rozvlnění airglow a tyto vlny pak oběhly celou Zeměkouli a opět se setkaly v protibodě Hungy Tongy v jižním Alžírsku. Navzájem sebou prošly a pokračovaly v dalším oběhu Země... Vlny airglow byly pozorovány celooblohovými kamerami na mnoha místech Země, ale snad nejpůsobivější byla satelitní pozorování, na kterých bylo vidět průběh těchto vln atmosférou přes velkou část světa.

Zajímavá byla též ukázka pozorování vln airglow vyvolaných bouří nad naším územím, které se podařilo zachytit pomocí celooblohových kamer bolidové sítě AVČR. 

Přednáška RNDr. Martina Setváka byla neobyčejně zajímavá. Lidé mají obecně pocit, že vzdušný obal naší Země již vědci poměrně dobře prozkoumali. Pojmenovali jsme vrstvy atmosféry, známe její složení, dokážeme dokonce popsat postupné změny klimatu a každý večer si můžeme v televizi poslechnout celkem spolehlivou předpověď počasí. Řekli bychom, že věda už jen dočesává současné znalosti. Ale není to pravda. Díky novým technologiím jsme objevili v atmosféře naší planety docela nové děje a struktury, které mají velikost třeba i přes tisíc kilometrů a o kterých jsme ještě v docela nedávné minulosti neměli ani tušení. Prozatím je kolem nich stále mnoho otazníků a spousta souvislostí nám zcela určitě stále uniká. Ne všechny jevy na fotografiích dokážeme spolehlivě vysvětlit. Studiem vlastností airglow se dozvídáme nové, zajímavé a důležité informace o vlastnostech vzdušného obalu naší Země – našeho vesmírného domova.

Změna barvy oblohy během noci (červený a zelený airglow) 31. 7. – 1. 8. 2019, La Palma.

V počátku noci vykazovala obloha načervenalý nádech způsobený červeným airglow, modravá zář v pravé části obrazu je zodiakální světlo viditelné po západu Slunce. Ve druhé polovině noci se barva oblohy v pravé části obrazu proměnila díky zelenému airglow.

Martin Setvák, viz též timelapse této noci, https://www.setvak.cz/timelapse/2019-cz.html#20190731 .

Gravitační vlny v nightglow vygenerované erupcí sopky Calbuco, Chile, snímek z družice Suomi-NPP 

23. 4. 2015, 05:12 UTC,  VIIRS DNB (Day/Night Band) a IR kanál M15 (BT 190-240K)

Výbuch sopky Hunga Tonga 15. 1. 2022  (kolem 04:05 UTC).

Velice si vážíme toho, že Martin Setvák přijal pozvání na naši hvězdárnu a věříme, že jej budeme moci v budoucnosti uvítat ještě jednou, tentokrát s přednáškou o jeho čarokrásných časosběrných videích (viz http://www.setvak.cz/setvak-cz.html).