เราใช้ชีวิตอยู่ในวงจรไฟฟ้า

เมื่อผู้คนได้ยินคำว่า สภาพอากาศในอวกาศ พวกเขาอาจนึกถึงการปะทุของดวงอาทิตย์ที่รบกวนดาวเทียมหรือแสงออโรร่าที่ส่องประกายในคืนขั้วโลก แต่ในแก่นแท้ สภาพอากาศในอวกาศไม่ใช่สิ่งที่แปลกประหลาดไปกว่าพฤติกรรมของอนุภาคที่มีประจุที่ไหลออกจากดวงอาทิตย์

ชั้นนอกของดวงอาทิตย์เป็นพลาสมาที่เดือดพล่าน ร้อนมากจนอิเล็กตรอนและโปรตอนไม่ถูกผูกไว้ในอะตอมอีกต่อไป แต่เคลื่อนที่อย่างอิสระ เหมือนเส้นใยขนาดมหาศาลในหลอดสุญญากาศ ดวงอาทิตย์ปล่อยของเหลวที่นำไฟฟ้าออกมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่า ลมสุริยะ มันไหลผ่านระบบสุริยะด้วยความเร็วหลายร้อยกิโลเมตรต่อวินาที นำพาอิเล็กตรอน โปรตอน อนุภาคแอลฟา และสนามแม่เหล็กที่พันกันไปด้วย

ยานอวกาศที่จุด L1 – หนึ่งล้านกิโลเมตรต้นน้ำจากโลก – วัดลมสุริยะแบบเรียลไทม์ พวกมันบอกเราว่ามีอิเล็กตรอน โปรตอน และไอออนที่หนักกว่ามาถึงกี่ตัว และเร็วแค่ไหน ในสภาวะที่เงียบสงบ ลมมักมีอิเล็กตรอนมากเกินเล็กน้อย ทำให้พื้นที่ระหว่างดาวเคราะห์มีประจุลบอ่อนๆ เป็นพื้นหลัง

เมื่อเกิด การปลดปล่อยมวลโคโรนา (CME) จากดวงอาทิตย์ สมดุลเปลี่ยนไป ฟองพลาสมาและสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่พัดผ่านอวกาศและชนกับโล่แม่เหล็กของโลก ที่ขั้วโลก พลังงานบางส่วนถูกส่งลงมาผ่านเส้นสนามแม่เหล็ก กระตุ้นอะตอมออกซิเจนและไนโตรเจนให้กลายเป็นม่านแสงสีเขียวและแดงที่ส่องสว่าง: แสงเหนือ ในซีกโลกเหนือ และ แสงใต้ ในซีกโลกใต้

โลกถูกแช่อยู่ในสภาพแวดล้อมนี้มานานหลายพันล้านปี วัตถุที่นำไฟฟ้าและถูกจุ่มในพลาสมาไม่คงความเป็นกลาง มันจะสะสมประจุ ผ่านช่วงเวลาทางธรณีวิทยา โลกได้เข้าสู่ ศักย์ไฟฟ้าที่ค่อนข้างเป็นลบเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมในอวกาศ

การตระหนักรู้นี้คือการเปลี่ยนผ่านของเราจากอวกาศสู่ท้องฟ้า: หากโลกมีประจุลบและพื้นที่ด้านบนถูกปกคลุมด้วยอิเล็กตรอนและโปรตอน การปรับสมดุลประจุในชั้นบรรยากาศเกิดขึ้นได้อย่างไร? คำตอบคือ ไอโอโนสเฟียร์

ไอโอโนสเฟียร์และสนามอากาศดี

ไอโอโนสเฟียร์ เริ่มต้นที่ประมาณ 50 กม. และขยายไปถึงหลายร้อยกิโลเมตร ที่นั่น แสงอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์และอนุภาคที่เข้ามาจะฉีกอิเล็กตรอนออกจากอะตอม ทิ้งก๊าซไอออนที่เจือจางไว้ สำหรับเราที่พื้นผิว อากาศดูเหมือนเป็นฉนวน แต่เมื่อสูงขึ้น การแตกตัวเป็นไอออนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหลายเท่า

ไอโอโนสเฟียร์ถูกค้นพบในทศวรรษ 1920 ไม่ใช่โดยนักฟิสิกส์ แต่โดยวิศวกรวิทยุ เอ็ดเวิร์ด แอปเปิลตันและเพื่อนร่วมงานของเขาสังเกตว่าคลื่นวิทยุบางครั้งเดินทางได้ไกลเกินขอบฟ้า สัญญาณสะท้อนจากชั้นนำไฟฟ้าสูงด้านบน – ซึ่งตอนนี้เราเรียกว่า ชั้น E และ F ของไอโอโนสเฟียร์ “กระจกบนท้องฟ้า” นี้ทำให้การกระจายเสียงทั่วโลกเป็นไปได้ และผลงานของแอปเปิลตันทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล

แต่นอกเหนือจากวิทยุ ไอโอโนสเฟียร์มีความหมายที่ลึกซึ้งกว่านั้น ลองนึกภาพโลกเป็นทรงกลมที่นำไฟฟ้าซึ่งมีประจุลบ และไอโอโนสเฟียร์เป็นเปลือกที่มีประจุบวกที่สูงหลายสิบกิโลเมตร ระหว่างนั้นคือชั้นบรรยากาศ: ไม่ใช่สุญญากาศสมบูรณ์ ไม่ใช่ฉนวนสมบูรณ์ แต่เป็นไดอิเล็กทริกที่มีรอยรั่ว พวกมันรวมกันเป็น ตัวเก็บประจุทรงกลม ที่ถูกชาร์จถึงประมาณ +250,000 โวลต์

ที่พื้นผิว ศักย์นี้ปรากฏเป็น สนามไฟฟ้าบรรยากาศของสภาพอากาศดี: ประมาณ +100 ถึง +300 โวลต์ต่อเมตร มุ่งลงด้านล่าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไอโอโนสเฟียร์ที่มีประจุบวกจะดึงอิเล็กตรอนขึ้นด้านบน ทำให้พื้นผิวค่อนข้างเป็นลบ เนื่องจากอากาศมีการนำไฟฟ้ามากขึ้นเมื่อสูงขึ้น การตกของแรงดันส่วนใหญ่เกิดขึ้นใน 10-15 กม. ที่ต่ำที่สุด – โทรโพสเฟียร์ ซึ่งเป็นที่อยู่ของเมฆและสภาพอากาศทั้งหมด

ในสภาวะที่เงียบสงบ สนามนี้มีเสถียรภาพ โดยถูกปรับโดยจังหวะทั่วโลกของพายุทั้งหมดในโลก – วงจรรายวันที่รู้จักกันในชื่อ เส้นโค้งคาร์เนกี อย่างไรก็ตาม ฐานที่เงียบสงบนี้ตั้งเวทีให้กับละครของพายุฝนฟ้าคะนอง

พายุฝนฟ้าคะนองเป็นเครื่องจักรไฟฟ้า

ภายในก้อนเมฆคิวมูโลนิมบัสที่กำลังเติบโต อนุภาคน้ำแข็งและหยดน้ำนับล้านล้านหยดชนกัน แต่ละตัวมีไอออน: H⁺ และ OH⁻ ซึ่งมีอยู่ในน้ำเสมอ สนามไฟฟ้าสิ่งแวดล้อมมีผลต่อการเคลื่อนที่ของประจุเหล่านี้ ผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กมักจะรับประจุบวกและถูกพัดพาขึ้นไปด้านบนโดยกระแสลม ส่วนเกล็ดน้ำแข็งที่หนักกว่าสะสมประจุลบและตกลงสู่ระดับกลาง

ผลลัพธ์คือ โครงสร้างสามขั้ว:

-   บริเวณประจุลบหลัก ที่ประมาณ 4-7 กม.,
-   บริเวณประจุบวก ที่ยอดเมฆ (10-12 กม.),
-   บางครั้งมี ชั้นประจุบวกรอง ใกล้ฐาน

การแยกนี้สะท้อนถึงการทดลองที่มีชื่อเสียงในศตวรรษที่ 19 ในปี 1867 ลอร์ดเคลวิน – ซึ่งเป็นที่รู้จักมากที่สุดจากสเกลอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ – สร้างอุปกรณ์โดยใช้เพียงน้ำหยด แหวน และถัง เครื่องกำเนิดหยดน้ำของเคลวิน ใช้ประโยชน์จากความไม่สมดุลของไอออนเล็กน้อยในหยดที่ตกลงมา ด้วยการเหนี่ยวนำที่ชาญฉลาด ความผันผวนเหล่านี้ถูกขยายจนกระทั่งเกิดประกายไฟนับพันโวลต์จากอุปกรณ์

อุปกรณ์บนโต๊ะของเคลวินคือพายุฝนฟ้าคะนองขนาดจิ๋ว เมฆเป็นเพียงรุ่นที่ใหญ่กว่าของโรงงานผลิตประจุเดียวกัน ขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วง การพาความร้อน และการชนกัน

ฟ้าผ่าส่วนใหญ่ที่เราเห็นมาจากชั้นประจุลบระดับกลางที่ปลดปล่อยลงสู่พื้นดิน แต่บางครั้งบริเวณประจุบวกด้านบนปลดปล่อยประจุของมัน ฟ้าผ่าบวก เหล่านี้มีพลังมากกว่า นำกระแสไฟที่ใหญ่กว่า และขยายออกไปด้านข้างหลายสิบกิโลเมตร – ที่รู้จักกันในชื่อ “ฟ้าผ่าจากท้องฟ้าแจ่มใส” ซึ่งหายากแต่ร้ายแรง เป็นขั้วตรงข้ามของสนามอากาศดี: ยอดเมฆที่มีประจุบวกปลดปล่อยลงสู่พื้นโลกโดยตรง

ทุกพายุฝนฟ้าคะนองจึงทำหน้าที่เป็น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สูบประจุบวกขึ้นไปยังไอโอโนสเฟียร์และประจุลบลงสู่พื้นดิน ร่วมกัน พายุที่ใช้งานอยู่ประมาณ 2,000 ลูกทั่วโลกของโลกคงศักย์ไฟฟ้าทั่วโลกที่ 250 กิโลโวลต์ เติมเต็มสิ่งที่อาจรั่วไหลออกไป พายุฝนฟ้าคะนองไม่ใช่แค่เหตุการณ์สภาพอากาศ พวกมันคือ โรงไฟฟ้าของวงจรไฟฟ้าของดาวเคราะห์

พายุที่ไปถึงอวกาศ

เป็นเวลาหลายศตวรรษที่เชื่อว่าฟ้าผ่าถูกจำกัดอยู่ใต้ฐานเมฆ แต่วงจรทำงานทั้งสองทิศทาง พายุยังปลดปล่อย ขึ้นด้านบน สู่ไอโอโนสเฟียร์ บางครั้งถึงอวกาศใกล้เคียง

ในทศวรรษ 1990 ดาวเทียมที่ค้นหาการระเบิดของรังสีแกมมาจากจักรวาลพบสิ่งที่ไม่คาดคิด: การกะพริบของรังสีแกมมาในมิลลิวินาทีจากโลกเอง การกะพริบของรังสีแกมมาบนบก (TGFs) เหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าที่ด้านบนของพายุเร่งอิเล็กตรอนให้มีความเร็วเกือบสัมพัทธภาพ ชนกับโมเลกุลอากาศและปล่อยรังสีแกมมา พายุฝนฟ้าคะนองกลายเป็น เครื่องเร่งอนุภาคตามธรรมชาติ ที่แข่งขันกับเครื่องจักรที่มนุษย์สร้างขึ้น

นานก่อนที่ดาวเทียมจะยืนยันเรื่องนี้ นักบินที่บินในระดับสูงกระซิบเกี่ยวกับแสงประหลาด: แสงเรืองสีแดง กรวยสีน้ำเงิน แหวนเหมือนรัศมีเหนือพายุ นักบิน U-2 ในทศวรรษ 1950 อาจเป็นกลุ่มแรกที่เห็นมัน แต่รายงานของพวกเขาถูกปฏิเสธว่าเป็นภาพลวงตา จนกระทั่งปลายศตวรรษที่ 20 กล้องจึงจับภาพได้:

-   สไปรต์สีแดง: การปลดปล่อยขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างเหมือนแมงกะพรุน สูงถึง 80-90 กม.
-   เจ็ตสีน้ำเงิน: กรวยสีน้ำเงินแคบจากยอดพายุถึง 50 กม.
-   เอลฟ์: แหวนสีแดงที่ขยายตัวที่ 90 กม. เกิดจากพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าของฟ้าผ่า

ทั้งหมดนี้คือ เหตุการณ์แสงชั่วคราว (TLEs) – ฟ้าผ่าที่ซ่อนอยู่ในท้องฟ้า เชื่อมโยงพายุกับไอโอโนสเฟียร์ พวกมันพิสูจน์ว่าพายุฝนฟ้าคะนองไม่ใช่แค่ในท้องถิ่น แต่เป็นตัวแสดงระดับโลก ฉีดพลังงานและอนุภาคขึ้นด้านบน รบกวนการแพร่กระจายของวิทยุ วงโคจรของดาวเทียม และแม้แต่เข็มขัดรังสี

เราเริ่มต้นด้วยสภาพอากาศในอวกาศที่ถูกกำหนดให้เกิดกับโลก ตอนนี้เราเห็นตรงกันข้าม: โลกเองสร้างสภาพอากาศในอวกาศ ผ่านการทำงานของพายุ

การใช้ชีวิตในวงจร

ตอนนี้โครงร่างชัดเจน: โลก ไอโอโนสเฟียร์ และอวกาศถูกเชื่อมโยงในวงจรไฟฟ้าทั่วโลก อย่างไรก็ตาม หัวข้อนี้ตกอยู่ในช่องว่างระหว่างสาขาวิชาการอย่างไม่ลงตัว

-   นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์อวกาศ มุ่งเน้นไปที่พายุสุริยะและแมกนีโตสเฟียร์
-   นักอุตุนิยมวิทยา ศึกษาเมฆ หยาดน้ำฟ้า และฟ้าผ่าบนพื้นผิว
-   นักธรณีฟิสิกส์ สืบสวนแผ่นดินไหวและภูเขาไฟ ซึ่งรบกวนสนามไฟฟ้าเช่นกัน

ผลลัพธ์คือไฟฟ้าบรรยากาศหลุดรอดผ่านช่องว่าง รายงานสภาพอากาศมาตรฐานให้ข้อมูลอุณหภูมิ ความกดอากาศ ลม และความชื้น – แต่ไม่ใช่ สนามบรรยากาศแบบคงที่ แม้ว่าจะสามารถวัดได้ด้วยมิลล์สนามง่ายๆ

ทำไมต้องวัด?

เรามีโมเดลอยู่แล้ว เครือข่ายฟ้าผ่า (Blitzortung, ALDIS, EUCLID) แสดงกิจกรรมพายุแบบเรียลไทม์โดยการติดตาม สเฟริกส์ ซึ่งเป็นพัลส์วิทยุของฟ้าผ่า ทำไมไม่สร้างสิ่งเดียวกันสำหรับ สนามไฟฟ้าแบบคงที่?

เครือข่ายเช่นนี้สามารถ:

-   ให้ คำเตือนล่วงหน้าสำหรับฟ้าผ่าบวก ซึ่งเป็นการโจมตีที่อันตรายที่สุด
-   ติดตาม การพัฒนาของพายุ: การเติบโตของสนามบ่งชี้การพาความร้อน การเปลี่ยนขั้วบ่งชี้การสลายตัว
-   แสดง การเชื่อมโยงกับสภาพอากาศในอวกาศ โดยเชื่อมโยง CME และรังสีคอสมิกกับสนามที่ระดับพื้นผิว
-   ให้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับคนจำนวนมากที่บอกว่าพวกเขาสามารถ “รู้สึกถึงสภาพอากาศ” ในร่างกายของพวกเขา

การเรียกร้องไปยังหอดูดาว

หอดูดาวหลายแห่งวัดไฟฟ้าบรรยากาศแล้ว แต่ข้อมูลกระจัดกระจายและถูกซ่อนไว้ ความพยายามระดับโลกที่ประสานงานชื่อ GLOCAEM (การประสานงานระดับโลกของการวัดไฟฟ้าบรรยากาศ) เริ่มต้นเมื่อไม่กี่ปีก่อน โดยเชื่อมโยงสถานีประมาณ 20-30 แห่งจากยุโรป เอเชีย แอฟริกา และอเมริกา บางสถานีเหล่านี้ – เช่น หอดูดาวคอนราดในออสเตรีย ลอมนิคกี ชตีตในสโลวาเกีย และเอสก์เดลเมียร์ในสกอตแลนด์ – มีประวัติยาวนานในการตรวจสอบการไล่ระดับศักย์อย่างต่อเนื่อง

แต่ต่างจากเครือข่ายฟ้าผ่าอย่าง Blitzortung กระแสข้อมูลเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังอยู่ในมือของนักวิจัย กราฟแบบเรียลไทม์มีอยู่ แต่ไม่ได้รับการเผยแพร่อย่างกว้างขวางหรือออกแบบเพื่อการใช้งานสาธารณะ สำหรับคนส่วนใหญ่ – แม้แต่นักศึกษาฟิสิกส์ – สนามบรรยากาศยังคงมองไม่เห็น

นี่คือช่องว่าง: ไม่ใช่การวัด แต่เป็นการเข้าถึง สิ่งที่ต้องการคือ การแปลเอกสารทางวิทยาศาสตร์เป็นแดชบอร์ดสาธารณะและ API แบบเปิด เช่นเดียวกับที่เครือข่ายสเฟริกส์ทำให้กิจกรรมพายุเป็นสิ่งที่ทุกคนสามารถดูแบบสดได้ ชั้นวิทยาศาสตร์พลเมืองบนเครือข่ายวิจัยที่มีอยู่สามารถปิดวงจรได้ – แปลงกราฟที่ซ่อนอยู่ในหอดูดาวให้เป็นตัวแปรสภาพอากาศ “ที่ห้า” ที่มีชีวิต

การทำให้ภาพสมบูรณ์

เราใช้ชีวิตอยู่ในวงจรไฟฟ้า โลกคือแผ่นลบ ไอโอโนสเฟียร์คือบวก และพายุฝนฟ้าคะนองคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฟ้าผ่าเป็นเพียงอาการที่มองเห็นได้ชัดเจนที่สุด สไปรต์ เจ็ต รังสีแกมมา และกระแสสภาพอากาศดีคือส่วนที่เหลือ

การนำมิติที่ซ่อนอยู่ของสภาพอากาศนี้มาสู่สายตาสาธารณะ – โดยการเปิดข้อมูลและสร้างเครือข่าย – จะทำให้ความเข้าใจของเราต่อท้องฟ้าสมบูรณ์ มันจะให้เครื่องมือพยากรณ์ที่ดีกว่า มุมมองใหม่เกี่ยวกับสภาพอากาศและสุขภาพ และฟื้นฟูความรู้สึกของความมหัศจรรย์: การตระหนักว่าโลกที่เราเดินอยู่นั้นไม่ได้หมุนในอวกาศเท่านั้น แต่ยังส่องสว่าง คราง และเกิดประกายไฟภายในเครื่องจักรไฟฟ้าขนาดดาวเคราะห์