https://fremont.ninkilim.com/articles/we_live_inside_an_electric_circuit/fi.html
Kun ihmiset kuulevat termin avaruussää, he saattavat ajatella auringonpurkauksia, jotka häiritsevät satelliitteja, tai revontulia, jotka kimmeltävät napayössä. Ytimessään avaruussää ei kuitenkaan ole mitään eksoottisempaa kuin auringosta ulos virtaavien varautuneiden hiukkasten käyttäytyminen.
Auringon uloimmat kerrokset ovat kiehuvaa plasmaa: niin kuumaa, että elektronit ja protonit eivät enää pysy atomeihin sidottuina, vaan liikkuvat vapaasti. Kuin valtava hehkulanka tyhjiöputkessa, aurinko emittoi jatkuvasti tätä sähköä johtavaa nestettä, jota kutsutaan aurinkotuuleksi. Se virtaa ulos aurinkokunnan halki satojen kilometrien sekuntinopeudella mukanaan elektroneja, protoneja, alfahiukkasia ja sotkeutuneita magneettikenttiä.
L1-pisteessä – miljoona kilometriä Maasta ylävirtaan – olevat avaruusalukset mittaavat aurinkotuulta reaaliajassa. Ne kertovat, kuinka monta elektronia, protonia ja raskaampia ioneja saapuu ja kuinka nopeasti. Rauhallisissa olosuhteissa tuulella on yleensä lievä elektronien ylijäämä, joten planeettojen välinen avaruus kantaa heikosti negatiivista varausta.
Kun koronaaliset massapurkaukset (CME) räjähtävät auringosta, tasapaino muuttuu. Valtavat plasma- ja magneettikenttäkuplat pyyhkäisevät avaruuden halki ja törmäävät Maan magneettiseen kilpeen. Napoilla osa tästä energiasta kanavoituu alaspäin magneettikenttälinjoja pitkin, kiihottaen happea ja typpeä hehkuviksi vihreiksi ja punaisiksi verhoiksi: revontulet pohjoisella pallonpuoliskolla ja etelänvalot eteläisellä.
Maa on ollut upotettuna tähän ympäristöön miljardeja vuosia. Johtavat kappaleet, jotka ovat upotettuina plasmaan, eivät pysy neutraaleina; ne keräävät varausta. Geologisen ajan kuluessa Maa on asettunut hieman negatiiviseen sähköiseen potentiaaliin suhteessa avaruusympäristöönsä.
Tämä oivallus on siirtymämme avaruudesta taivaalle: jos Maa on negatiivinen ja sen yläpuolella oleva avaruus on kylpenyt elektroneissa ja protoneissa, miten varaus tasapainottuu itse ilmakehässä? Vastaus on ionosfääri.
Ionosfääri alkaa noin 50 kilometrin korkeudelta ja ulottuu satoihin kilometreihin. Siellä auringon ultraviolettivalo ja saapuvat hiukkaset irrottavat elektroneja atomeista, jättäen jälkeensä laimean ionikaasun. Meille maan pinnalla ilma vaikuttaa eristeeltä. Mutta korkeuden kasvaessa ionisaatio lisääntyy nopeasti, ja johtavuus kasvaa useita kertaluokkia.
Ionosfääri löydettiin 1920-luvulla, ei fyysikoiden, vaan radioinsinöörien toimesta. Edward Appleton ja hänen kollegansa huomasivat, että radiotaajuudet joskus kulkivat paljon horisontin ylitse. Signaalit kimpoilivat korkealla olevasta johtavasta kerroksesta – jota nyt kutsumme ionosfäärin E- ja F-kerroksiksi. Tämä “peili taivaalla” teki maailmanlaajuisen radiolähetyksen mahdolliseksi, ja Appletonin työ toi hänelle Nobel-palkinnon.
Mutta radion lisäksi ionosfäärillä on syvempi merkitys. Kuvittele Maa johtavaksi palloksi, joka kantaa negatiivista varausta, ja ionosfääri positiivisesti varautuneeksi kuoreksi kymmeniä kilometrejä korkealla. Niiden välissä on ilmakehä: ei täydellinen tyhjiö, ei täydellinen eriste, vaan vuotava dielektrinen aine. Yhdessä ne muodostavat pallomaisen kondensaattorin, joka on varattu noin +250 000 volttiin.
Maassa tämä potentiaali ilmenee rauhallisen sään ilmakehän sähköisenä kenttänä: noin +100 - +300 volttia metriä kohti, suunnattuna alaspäin. Toisin sanoen positiivinen ionosfääri vetää elektroneja ylöspäin, jättäen pinnan suhteellisen negatiiviseksi. Koska ilma muuttuu johtavammaksi korkeuden myötä, suurin osa tästä jännitehäviöstä tapahtuu alimmissa 10–15 kilometrissä – troposfäärissä, jossa kaikki pilvet ja sää sijaitsevat.
Rauhallisissa olosuhteissa tämä kenttä on vakaa, ja sitä moduloivat vain maailman kaikkien myrskyjen globaali rytmi – päivittäinen kierto, joka tunnetaan nimellä Carnegie-käyrä. Tämä hiljainen perustaso asettaa kuitenkin näyttämön ukkosmyrskyjen draamalle.
Kasvavan cumulonimbus-pilven sisällä triljoonat jääpartikkelit ja pisarat törmäävät toisiinsa. Jokainen kantaa ioneja: H⁺ ja OH⁻, jotka ovat jatkuvasti läsnä vedessä. Ympäröivä sähköinen kenttä vaikuttaa siihen, miten nämä varaukset liikkuvat. Pienet jääkiteet pyrkivät saamaan positiivisen varauksen ja kulkeutuvat nousevien ilmavirtojen mukana ylöspäin, kun taas raskaammat rakeet keräävät negatiivista varausta ja putoavat keskitasoille.
Tuloksena on kolminapainen rakenne:
Tämä erottelu heijastaa kuuluisaa 1800-luvun koetta. Vuonna 1867 Lordi Kelvin – tunnettu termodynaamisesta lämpötila-asteikosta – rakensi laitteen pelkästään tippuvalla vedellä, renkailla ja ämpäreillä. Kelvinin vesipisara-generaattori hyödynsi pieniä ionisia epätasapainoja putoavissa pisaroissa. Älykkäällä induktiolla nämä vaihtelut vahvistuivat, kunnes laitteesta sinkosi tuhansien volttien kipinöitä.
Kelvinin pöytälaitteisto oli pienoismyrsky. Pilvet ovat vain suurempia versioita samasta varausgeneraattorista, joita ohjaavat painovoima, konvektio ja törmäykset.
Suurin osa näkemistämme salamoista tulee negatiiviselta keskitasolta, joka purkautuu maahan. Mutta joskus yläosan positiivinen alue vapauttaa varauksensa. Nämä positiiviset salamat ovat paljon voimakkaampia, kuljettavat suurempia virtoja ja ulottuvat kymmeniä kilometrejä sivusuunnassa – pahamaineiset “salamat kirkkaalta taivaalta”. Harvinaisia mutta tappavia, ne ovat rauhallisen sään kentän vastakohta: pilven positiivinen huippu purkautuu suoraan Maahan.
Jokainen ukkosmyrsky toimii näin generaattorina, pumppaamalla positiivista varausta ylöspäin ionosfääriin ja negatiivista varausta alaspäin maahan. Yhdessä Maan noin 2 000 aktiivista myrskyä ylläpitävät globaalia 250 kV:n potentiaalia, täydentäen sitä, mikä muuten vuotaisi pois. Ukkosmyrskyt eivät ole pelkästään sääilmiöitä; ne ovat planeetan sähköpiirin voimalaitoksia.
Vuosisatojen ajan ajateltiin, että salamat rajoittuvat pilven alapuolelle. Mutta piiri toimii molempiin suuntiin. Myrskyt purkautuvat myös ylöspäin, ionosfääriin, joskus lähelle avaruutta.
1990-luvulla satelliitit, jotka etsivät kosmisia gammasädepurkauksia, havaitsivat jotain odottamatonta: millisekuntien gammasäde välähdyksiä Maasta itsestään. Nämä maanpäälliset gammasäde välähdykset (TGF:t) syntyvät, kun myrskyn huipulla olevat sähköiset kentät kiihdyttävät elektroneja lähes valon nopeuteen, törmäten ilmamolekyyleihin ja emitoiden gammasäteitä. Ukkosmyrskystä tulee luonnollinen hiukkaskiihdytin, joka kilpailee ihmisen rakentamien koneiden kanssa.
Kauan ennen kuin satelliitit vahvistivat tämän, korkean korkeuden lentäjät kuiskivat oudosta valosta: punaisista hehkuista, sinisistä kartioista, halo-tyyppisistä renkaista myrskyjen yläpuolella. U-2-lentäjät 1950-luvulla saattoivat olla ensimmäisten joukossa, jotka näkivät ne, mutta heidän raporttinsa hylättiin optisina harhoina. Vasta 1900-luvun lopulla kamerat tallensivat ne:
Yhdessä nämä ovat ohimeneviä valoilmiöitä (TLE:t) – taivaan piilotetut salamat, jotka yhdistävät myrskyt ionosfääriin. Ne todistavat, että ukkosmyrskyt eivät ole paikallisia vaan globaaleja toimijoita, jotka injektoivat energiaa ja hiukkasia ylöspäin, häiriten radiopropagaatiota, satelliittien ratoja ja jopa säteilyvöitä.
Aloitimme avaruussään kanssa jotain, joka on määrätty Maalle. Nyt näemme päinvastaisen: Maa itse tuottaa avaruussäätä myrskyjensä kautta.
Nyt ääriviivat ovat selvät: Maa, ionosfääri ja avaruus ovat sidottuja globaaliin sähköpiiriin. Tämä aihe jää kuitenkin hankalasti tieteenalojen väliin.
Tuloksena on, että ilmakehän sähköisyys putoaa rakoihin. Tavalliset sääraportit antavat lämpötilan, paineen, tuulen ja kosteuden – mutta eivät staattista ilmakehän kenttää, vaikka se voidaan mitata yksinkertaisella kenttämittarilla.
Meillä on jo malleja. Salamaverkot (Blitzortung, ALDIS, EUCLID) näyttävät myrskytoimintaa reaaliajassa seuraamalla sferics-signaaleja, salaman radiopulsseja. Miksi ei rakenneta samaa staattisille sähköisille kentille?
Tällainen verkosto voisi:
Monet observatoriot mittaavat jo ilmakehän sähköisyyttä, mutta data on hajallaan ja piilossa. Vain muutama vuosi sitten aloitettu koordinoitu maailmanlaajuinen hanke nimeltä GLOCAEM (Global Coordination of Atmospheric Electricity Measurements) yhdistää noin 20–30 asemaa Euroopasta, Aasiasta, Afrikasta ja Amerikoista. Jotkut näistä paikoista – kuten Conradin observatorio Itävallassa, Lomnický Štít Slovakiassa ja Eskdalemuir Skotlannissa – ovat pitkään seuranneet potentiaaligradienttia jatkuvasti.
Toisin kuin salamaverkot, kuten Blitzortung, nämä datavirrat jäävät kuitenkin suurelta osin tutkijoiden käsiin. Reaaliaikaisia kaavioita on olemassa, mutta niitä ei mainosteta laajalti tai suunnitella yleiseen käyttöön. Useimmille ihmisille – jopa fysiikan opiskelijoille – ilmakehän kenttä on edelleen näkymätön.
Tässä on aukko: ei mittaaminen, vaan saatavuus. Tarvitaan tieteellisten arkistojen kääntäminen julkisiksi kojelaudoiksi ja avoimiksi API:iksi, samalla tavalla kuin sferics-verkot tekivät myrskytoiminnasta jotain, jota kuka tahansa voi seurata livenä. Kansalaistieteen kerros olemassa olevien tutkimusverkkojen päällä voisi sulkea silmukan – muuttaa observatorioiden piilotetut kaaviot eläväksi “viidenneksi säätiedoksi”.
Elämme sähköpiirissä. Maa on negatiivinen levy, ionosfääri positiivinen, ja ukkosmyrskyt ovat generaattoreita. Salama on vain näkyvin oire. Sprite-ilmiöt, suihkut, gammasäteet ja rauhallisen sään virrat ovat loput.
Tämän piilotetun sään ulottuvuuden tuominen yleiseen tietoon – avaamalla dataa ja rakentamalla verkostoja – viimeistelisi ymmärryksemme taivaasta. Se antaisi meille parempia ennustustyökaluja, uusia oivalluksia ilmastosta ja terveydestä sekä palauttaa ihmetyksen tunteen: oivalluksen, että maailma, jossa kävelemme, ei vain pyöri avaruudessa, vaan hehkuu, humisee ja kipinöi planetaarisen sähköisen koneen sisällä.