Záznam a komparace spektra blesku

Na hvězdárně Valašské Meziříčí jsou v současné době v provozu tři kamery opatřené spektroskopickým systémem. Hlavním cílem těchto kamer je zaznamenávání spekter meteorů a tedy identifikace chemického složení meteoroidů a také emisních čar prvků obsažených v atmosféře Země. Nicméně v období výskytu bouřkové činnosti se cíle pozorování mohou změnit a spektrografy mohou zaznamenat spektra elektrostatických výbojů – blesků. Tak tomu bylo i během bouřky ve večerních hodinách dne 19. 6. 2016.

Úvod

První kamera na pozorování spekter meteorů byla na Hvězdárně Valašské Meziříčí nainstalována v létě 2014. Je umístěna na budově odborného pracoviště a její zorné pole směřuje severním směrem (VM_N), kamera je vybavena CCD snímačem Sony Super HAD II 960 H (ICX 663 AKA) s rozlišením 720×576 px. Na podzim 2015 pak byly zprovozněny další dvě spektrální kamery, které byly vybaveny modernější kamerou QHY5L-IIM s vyšším rozlišením snímače (1280×960 px) a tedy i vyšším spektrálním rozlišením (viz titulní snímek). Sledují jihozápadní (VM_SW) a severozápadní (VM_NW) obzor.

Obr. 1: Skládaný snímek spektra bolidu 20151119_034504, náležejícího k meteorickému roji Leonid. Záznam a analýza spekter meteorů jsou primárním cílem spektrografů instalovaných na Hvězdárně Valašské Meziříčí. Autor: Hvězdárna Valašské Meziříčí

Severní kamera (VM_N) byla zprovozněna 25. 7. 2014. Jedná se o CCTV kameru VE 6047 s difrakční mřížkou s hustotou 500 čar/mm, která je vybavena světelnými objektivem Tokina (F/0,98) s proměnným ohniskem (3-8 mm). Pro dané nastavení ohniska objektivu je efektivní zorné pole systému 60×48^o, rozlišení prvního řádu spektra meteoru je 32,8 Å/px. Veškeré potřebné zařízení bylo zakoupeno díky finančním prostředkům SMPH (Společnost pro MeziPlanetární Hmotu). Spektrografy VM_NW (severozápadní kamera) a VM_SW (jihozápadní kamera) byly zprovozněny v říjnu 2015. Jedná se o kamery QHY5L-IIM s CMOS snímačem Aptina MT9M034, které jsou vybaveny světelným megapixelovým objektivem Tamron (F/1,0) s proměnným ohniskem (3-8 mm) a jsou vybaveny difrakční mřížkou s hustotou 1000 čar/mm. Pro dané nastavení ohniska objektivu je efektivní zorné pole systému 80×60^o (VM_SW) a 89×67^o (VM_NW), rozlišení prvního řádu spektra meteoru je 9,7 Å/px (VM_SW) a je 10,8 Å/px (VM_NW).

Spektrum blesku

Nedávná bouřka nabídla zajímavou možnost spektrální registrace velmi zajímavého projevu bouřek, blesku. Tím na chvíli přenesla spektroskopická pozorování na Hvězdárně Valašské Meziříčí od jevů nebeských k neméně zajímavým jevům pozemským. Nabídla se nám zajímavá možnost porovnání. V laboratorních podmínkách se pokoušíme ve spolupráci s kolegy z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského v Praze napodobit spektra zářícího z plazmy meteorů pomocí různých pokusů, zejména ostřelováním meteoritů lasery, vytváření laserových jisker ve vzduchu či elektrickými výboji. Aby astronomům nebylo líto, že prší, příroda připravila další srovnávací experiment a umožnila na kameru meteorického spektrografu zaznamenat blesk.

Obr. 2: Snímek spektra blesku 20160619_200130, jedná se o první snímek (FR 15) spektra blesku s expoziční dobou 0,067 s. Autor: Hvězdárna Valašské Meziříčí	Obr. 3: Snímek spektra blesku 20160619_200130, jedná se o druhý snímek (FR 16) spektra blesku s expoziční dobou 0,067 s. Autor: Hvězdárna Valašské Meziříčí

Zajímavý úkaz, podobně jako meteor či silná laserová jiskra, vytvořil plazma a připravil tak bohaté spektrum obsahující emise vodíkových, dusíkových a kyslíkových čar. Obrázek dole ukazuje srovnání spektra blesku se spektry pořízenými v laboratoři pomocí výkonného Nd:YAG laseru a doutnavého výboje. Příroda připravila pro oko spektroskopika opravdovou žeň spektrálních čar. Zatímco v laboratoři laserová jiskra dosahuje teploty spíše 10 000 – 20 000 K a elektrický výboj generovaný napětím 1 500 V s proudem do jednoho ampéru jen do 5 000 K, blesk o teplotě i přes 50 000 K, proudem přes 30 000 ampérů a napětím stovek milionů voltů vybudil tak, jako elektrický výboj, k oslnivé záři molekulární dusík a kyslík (O₂ a N₂), rozbil vzduch a vodní páru na atomy tak, jako laserová jiskra (H I, O I a N I) a také odtrhal elektrony i z obtížně ionizovatelného dusíku i kyslíku, které ve spektru svítí v podobě čar iontů N II a O II.

Obr. 4: Identifikace emisních čar prvků ve spektru blesku 20160619_200130 (FR 15) – srovnání průběhu spektra blesku se spektry pořízenými v laboratoři UFCH JH pomocí výkonného Nd:YAG laseru a doutnavého výboje. Autor: Martin Ferus

Závěr

Záznam spektra blesku a jeho následná analýza se jeví jako velmi užitečné nástroje pro hlavní spektroskopický výzkum, tedy pro analýzu spekter meteorů. Druhou rovinou, potřebnou pro následné analýzy, je srovnání spekter blesků a TLE jevů (Transient Luminous Events – přechodné světelené úkazy) pořízených spektrografy na Hvězdárně Valašské Meziříčí s výsledky pořízenými v laboratoři UFCH JH pomocí výkonného Nd:YAG laseru a doutnavého výboje. Toto srovnání laboratorních výsledků a reálného měření spekter (meteorů, blesků, TLE) umožňuje přesnější identifikaci emisních čar právě ve spektrech pořízených spektrografy. Výsledkem analýzy spektra blesku pořízeného 19. 6. 2016 (20:01:30 UT) je identifikace vodíkové emisní čáry ve dříve analyzovaném spektru bolidu 20150812_232101, který patřil k meteorickému roji Perseid.

Obr. 5: Identifikace emisních čar prvků v kalibrovaném spektru blesku 20160619_200130 – srovnání intenzit emisních čar prvků v obou pořízených snímcích spektra (FR 15 – červená linie, FR 16 – šedá linie). Autor: Jakub Koukal

Analyzované spektrum blesku typu CC (došlo k výboji mezi mraky, nedošlo k uzemnění blesku) obsahuje pouze emise prvků obsažených v atmosféře Země. Dominantní v analyzovaném spektru jsou pak emise OI-multiplet 1 (laboratorní vlnová délka 7774 Å), OI-35 (7947 Å), OI-4 (8447 Å) a NI-3 (7442 Å), NI-2 (8223 Å), NI-8 (8629 Å), NI-1 (8683 Å). Velmi zajímavými jsou pak identifikace emisních čar vodíku H-alpha (6563 Å) nebo H-gamma (4341 Å), emisních čar argonu, např. Ar-1 (8115 Å) nebo emisní čáry ionizovaných prvků, např. OII-10 (4075 Å) nebo NII-31 (6610 Å).

Poděkování

Projekt nákupu a provozu spektroskopických kamer s vysokým rozlišením je částečně dotován Programem pro regionální spolupráci AV ČR, reg. č. R200401521 a interním grantem Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského č. 994316. Na pořízení přístrojové techniky umístěné na Hvězdárně Valašské Meziříčí, p. o. přispěly také společnosti DEZA, a. s. a CS CABOT, spol. s r. o.