Mystiska blixtar sammanlänkar planeten: jordens elektriska hjärtslag

Faktum är att det inte borde vara så.

När den amerikanska rymdorganisationen Nasa med expeditionen Crystal Face år 2002 sände ett plan rakt igenom ett åskmoln för att mäta den elektriska spänningen i molnet visade det sig nämligen att spänningsskillnaden i åskmoln är alldeles för låg för att kunna utlösa en blixt.

När man går över en golvmatta får friktionen mellan fötterna och mattan elektroner att lossna från golvmattan, som fördelas i kroppen i form av statisk elektricitet och gör den negativt laddad.

Om din hand sedan närmar sig exempelvis ett metallhandtag uppstår en anmärkningsvärt hög spänningsskillnad på tre miljoner volt per meter mellan handen och handtaget.

Med en smäll uppstår en gnista och handen får en stöt.

Spänningsskillnaden i åskmoln är emellertid inte mer än cirka 200 000 volt per meter, det vill säga bara en femtondel av spänningen mellan handen och dörrhandtaget. Det har fått bland andra den ryske fysikern Alexandr Gurevich att lägga fram en teori om att blixtarna får hjälp på traven av energirika protoner från rymden.

Protonerna från rymden får molekylerna i luften att släppa ifrån sig elektroner, vilket sätter i gång en kedjereaktion i molnet. Till slut skjuter en flodvåg av elektroner ner från åskmolnet genom en så kallad blixtkanal och utjämnar spänningen genom ett blixtnedslag.

Forskarnas teori om den kosmiska inblandningen har underbyggts av mätningar av satelliter och på ISS, som har registrerat gammastrålning från åskmoln.

Gammastrålning är den mest energirika typen av strålning, och enligt forskarna sänds den ut längst fram i en blixtkanal, där elektronerna har accelererats upp till höga energinivåer av de kosmiska partiklarna.

Det är dock inte bara mellan moln och jorden det slår blixtar. Blixtar förekommer även högt upp i atmosfären, där de sammanlänkar hela planeten i ett världsomspännande elektriskt kretslopp.

Blixtar laddar globalt kretslopp

År 1909 seglade träbåten Carnegie 480 000 kilometer runt planeten och mätte atmosfärens elektriska laddning. Varje dag registrerade forskarna en daglig ”puls” ovanför havet, som blev känd som Carnegiekurvan.

År 1920 fick upptäckten den skotske fysikern Charles Wilson att lägga fram en teori om att jordytan och jonosfärens nedre del, på 50–80 kilometers höjd, fungerar som den negativa respektive den positiva elektroden i ett gigantiskt laddningsbart batteri.

Enligt Wilson laddas batteriet av blixtar från åskstormar, och nu har den amerikanske atmosfärforskaren Michael Peterson och hans kollegor bekräftat teorin med hjälp av mikrovågsmätningar från satelliter.

Under ett åskväder sänder blixtnedslag ner negativa elektroner till jordytan, medan uppåtgående blixtar sänder upp positiva laddningar från molnens ovansida i jonosfären.

De motriktade blixtarna skapar en spänningsskillnad på 250 000 volt mellan jonosfären och jordytan, vilket laddar batteriet.

Vid klart väder laddas jonosfären därefter ur. Även om luften mellan de två polerna i allmänhet är neutral innehåller den en små mängder laddade atomer och molekyler, så kallade joner, som leder de positiva laddningarna från jonosfären mot jordytan.

Sensorer ska varna för blixtnedslag

Den bäst undersökta delen av det atmosfäriska batteriet är de helt vanliga blixtarna från molnen till jordytan.

I dag registreras blixtnedslag bland annat av ett världsomspännande nätverk av mätstationer som kallas Global Lightning Dataset. Blixturladdningar avger lågfrekvent radiobrus, som mätstationernas sensorer kan registrera på ända upp till 10 000 kilometers avstånd.

Sensorerna registrerar blixtnedslag i realtid, och eftersom de är kopplade till GPS-systemet kan mätstationerna ange blixtnedslag inom en marginal av två–tre kilometer. I USA, där nätverket är mest finmaskigt, kan nedslagspunkten för en blixt fastslås med endast 200 meters felmarginal.

För att kunna spåra blixtarna ännu bättre sände Nasa år 2018 upp satelliten Goes-16, som övervakar större delen av Nord- och Sydamerika och bland annat registrerar hundratals kilometer långa blixtar som hoppar mellan molnen.

Medan det markbaserade nätverket av mätstationer ger exakta positioner för blixtnedslag, står satelliten för den stora överblicken över åskvädrens utbredning och rörelser.

Kombinationen av de två typerna av data har förbättrat möjligheterna att förutsäga vart ett åskväder är på väg. Därför kan de amerikanska meteorologerna sända ut exakta blixtvarningar till exempelvis elbolag och flygplatser.

Ett annat syfte med dessa data är att kunna ge bättre varningar för naturbränder.

Studier har visat att naturbränder främst uppstår av tröga blixtar, som inte utjämnar hela spänningsskillnaden mellan molnet och jordytan i en enda snabb blixt. I stället utlöses 10–100 gånger mer långvariga, men svagare elektriska strömmar i marken.

Satelliten Goes-16 kan upptäcka dessa markkrypande blixtar, och genom att kombinera data från satelliten med radionätverkets exakta angivelser får brandkåren bättre möjlighet att bekämpa elden innan den tar verklig fart.

Och brandkåren lär få mycket att göra.

Blixtkaskad hotar klimatet

I takt med den globala uppvärmningen kommer förångningen från haven att öka. Det ökar mängden vatten i atmosfären, vilket kommer att ge upphov till fler åskstormar och blixtnedslag.

En prognos för USA tyder exempelvis på att antalet blixtar kommer att öka med tolv procent för varje grad planetens temperatur stiger.

Samtidigt visar klimatmodeller för Nordeuropa och Skandinavien att uppvärmningen fram till år 2100 kommer att medföra fler långvariga åskstormar. Likadant kommer det att bli i Arktis, där det kalla klimatet annars gör blixtnedslag sällsynta.

De globala temperaturökningarna har emellertid redan slagit igenom rejält norr om polcirkeln, där temperaturen sedan år 1960 i vissa områden har stigit med två till fyra grader.

Enligt World Wide Lightning Location Network, ett globalt nätverk av väderstationer, har antalet årliga blixtnedslag norr om polcirkeln ökat från 35 000 år 2010 till en kvarts miljon år 2020.

Blixtnedslag på tundran orsakar nu alltfler naturbränder i arktiska torvmossar. Det är en oroande utveckling, eftersom tundran innehåller 14 procent av allt världens kol som ligger lagrat i marken.

Därför kan brinnande torvmossar avge stora mängder koldioxid till atmosfären.

Samtidigt kommer ett ökat antal blixtar i en självförstärkande effekt att förstärka den globala uppvärmningen, eftersom de våldsamma elektriska urladdningarna ger upphov till kväveoxider (NOx), som bidrar kraftigt till växthuseffekten och bland annat är kända från dieselavgaser.

Enligt beräkningar bidrar blixtnedslagen med 8,6 miljoner ton NOx om året, och därtill kommer en motsvarande mängd från blixtar mellan moln.

Därför har World Meteorological Organization nyligen satt upp blixtar på listan över klimatvariabler som bör följas för att vi ska kunna komma fram till hur de kommer att påverka framtidens klimat.

Egendomliga blixtar ska kartläggas

Om de mystiska uppåtgående blixtarna från molnen till jonosfären medför utsläpp av NOx är ännu oklart. Röda feer och blå blixtar syns inte från marken och är därför den minst utforskade delen av det globala elektriska kretsloppet.

På det här området fick emellertid forskarna nya möjligheter när instrumentet Asim togs i bruk på den internationella rymdstationen. Detta instrument, som har utvecklats på det danska forskningsinstitutet DTU Space, observerar rymden ovanför molnens ovansida i ett antal olika våglängder, allt från synligt ljus till röntgen- och gammastrålning.

Asim gör 100 000 mätningar i sekunden, vilket har gjort det möjligt att göra detaljerade observationer av ultrakorta uppåtgående blixtar.

Röda feer skjuter exempelvis upp till 90 kilometers höjd på 100 millisekunder, medan blå blixtar tillryggalägger 40–50 kilometer på 400 millisekunder.

År 2021 offentliggjorde forskarna observationer av en enorm blå blixt från ett oväder ovanför stillahavsön Nauru. Blixten började med fem explosionsliknande blå blixtar vid molntoppen, som bara varade i tio mikrosekunder, innan en av blixtarna antände den kraftiga blå blixten, som nådde upp till 52 kilometers höjd.

De kommande årens observationer med Asim kommer att ge detaljerad information om mekanismerna bakom både de blå blixtarna och de röda feerna och ge ytterligare kunskaper om hur de laddar den positiva elektroden och ger ström åt jordens elektriska hjärtslag.