Mystiske lyn forbinder planeten: Jordens elektriske hjerteslag

Men faktisk burde det slet ikke være sådan.

Da det amerikanske rumfartsagentur, NASA, med missionen Crystal Face i 2002 sendte et fly direkte igennem en tordensky for at måle de elektriske spændinger inde i skyerne, viste det sig nemlig, at spændingsforskellen i tordenskyer er alt for lav til at kunne udløse et lyn.

Når du går hen over et gulvtæppe, skræller friktionen mellem fødderne og tæppet elektroner af gulvtæppet, som fordeles i kroppen som statisk elektricitet og gør den negativt ladet.

Nærmer hånden sig derefter fx et metalhåndtag, opstår der en forbløffende høj spændingsforskel på tre millioner volt/meter mellem hånden og håndtaget.

Med et smæld springer der en gnist, og hånden får et stød.

Men spændingsforskellen i tordenskyer er kun på ca. 200.000 volt/meter – dvs. blot 1/15 af spændingen mellem hånden og dørhåndtaget. Det har bl.a. fået den russiske fysiker Alexandr Gurevich til at fremsætte en teori om, at lynene bliver hjulpet på vej af energirige protoner fra rummet.

Rumprotonerne skræller elektroner af luftmolekylerne, som sætter gang i en løbsk kædereaktion i skyen. Til sidst skyder en flodbølge af elektroner ned fra tordenskyen igennem en såkaldt lynkanal og udligner spændingen som et lynnedslag.

Forskernes teori om den kosmiske indblanding bliver underbygget af målinger fra satellitter og ISS, som har registreret gammastråling fra tordenskyer.

Gammastråling er den mest energirige form for stråling, og ifølge forskerne bliver den udsendt i spidsen af en lynkanal, hvor elektroner er blevet accelereret op til høje energier af de kosmiske partikler.

Og det er ikke kun mellem skyerne og jorden, at lynene springer – de skyder også højt op i atmosfæren og forbinder hele kloden i et verdensomspændende elektrisk kredsløb.

Lyn oplader globalt kredsløb

I 1909 sejlede træbåden Carnegie 480.000 km kloden rundt og foretog målinger af atmosfærens elektriske ladning. Hver dag registrerede forskerne en daglig “puls” over oceanerne, der blev kendt som Carnegie-kurven.

Opdagelsen fik i 1920 den skotske fysiker Charles Wilson til at fremsætte en teori om, at jordoverfladen og bunden af ionosfæren i 50-80 kilometers højde fungerer som henholdsvis den negative og den positive elektrode i et gigantisk genopladeligt batteri.

Ifølge Wilson bliver batteriet opladet af lyn fra tordenstorme, og nu har den amerikanske atmosfæreforsker Michael Peterson og hans kolleger vha. mikrobølgemålinger fra satellitter bekræftet teorien.

Under en tordenstorm sender lynnedslag negative elektroner ned på jordoverfladen, mens opadgående lyn sender positive ladninger fra skytoppene op i ionosfæren.

De modsatrettede lyn skaber en spændingsforskel på 250.000 volt mellem ionosfæren og jordoverfladen, hvilket oplader batteriet.

I klart vejr bliver ionosfæren så afladet. Selvom luften imellem de to poler generelt er neutral, indeholder den en beskeden mængde ladede atomer og molekyler kaldet ioner, som leder de positive ladninger fra ionosfæren ned mod jordoverfladen.

Sensorer skal varsle lynnedslag

Den bedst undersøgte del af det atmofæriske batteri er de traditionelle lyn fra skyerne til jordoverfladen.

I dag bliver lynnedslag bl.a. registreret af et verdensomspændende netværk af målestationer kaldet Global Lightning Dataset. Lynudladninger udsender lavfrekvent radiostøj, som målestationernes sensorer registrerer på helt op til 10.000 kilometers afstand.

Sensorerne opfanger lynnedslag i realtid, og da de er koblet til GPS-systemet, kan målestationerne angive lynnedslag inden for en margin af 2-3 km. I USA, hvor netværket er mest fintmasket, kan nedslagspunktet for et lyn fastslås inden for blot 200 meter.

For yderligere at spore sig ind på lynene opsendte NASA i 2018 satellitten GOES-16, som overvåger det meste af Nord- og Sydamerika og bl.a. opfanger flere hundrede km lange lyn, som springer mellem skyerne.

Mens det jordbaserede netværk af målestationer giver præcise positioner for lynnedslag, leverer satellitten det store overblik over tordenstormenes udstrækning og bevægelser.

Kombinationen af de to typer data har forbedret mulighederne for at forudsige, hvor en tordenstorm er på vej hen. Derfor kan de amerikanske meteorologer udsende præcise lynvarsler til fx elselskaber og lufthavne.

Et andet mål med dataene er bedre at kunne varsle naturbrande.

Undersøgelser har vist, at brandene især bliver antændt af træge lyn, der ikke udligner hele spændingsforskellen mellem skyen og jordoverfladen i et enkelt hurtigt glimt. I stedet bliver 10-100 gange mere langvarige, men svagere, elektriske strømme udløst gennem jordbunden.

GOES-16-satellitten kan spotte disse jordkrybende lyn, og ved at kombinere data fra satellitten med radionetværkets præcise angivelser får brandvæsenet bedre muligheder for at bekæmpe ilden, inden den for alvor får fat.

Og brandvæsenet vil få rigeligt at se til.

Lynkaskade truer klimaet

I takt med den globale opvarmning vil fordampningen fra havene stige. Det øger mænden af vand i atmosfæren, hvilket vil udløse flere tordenstorme og flere lynnedslag.

En prognose for USA peger fx på, at antallet af lyn vil vokse med 12 pct., for hver grad klodens temperatur stiger.

Samtidig viser klimamodeller for Nordeuropa og Skandinavien, at opvarmningen frem mod år 2100 vil føre til flere langvarige tordenstorme. Det samme er tilfældet i Arktis, hvor det kolde klima ellers gør lynnedslag til en sjældenhed.

.

Men de globale temperaturstigninger er allerede slået kraftigt igennem nord for polarcirklen, hvor temperaturen i nogle områder er steget med to-fire grader siden 1960.

Ifølge det globale World Wide Lightning Location Network er antallet af årlige lynnedslag nord for polarcirklen vokset fra 35.000 i år 2010 til en kvart million i år 2020.

Lynnedslag i tundraen tænder nu et stigende antal naturbrande i de arktiske tørvemoser. Udviklingen er bekymrende, fordi tundraen rummer 14 pct. af alt det kulstof, som er oplagret i landjorden på verdensplan.

Brændende tørvemoser kan derfor frigive store mængder CO2 til atmosfæren.

Samtidig vil flere lyn i en selvforstærkende effekt øge den globale opvarmning, fordi de voldsomme elektriske udladninger producerer kvælstofilter, NOx, som er en stærk drivhusgas og bl.a. kendes fra dieseludstødning.

Ifølge beregninger bidrager lynnedslagene med 8,6 millioner tons NOx om året, og dertil kommer en tilsvarende mængde fra lyn, som springer mellem skyerne.

Derfor har World Meteorological Organization netop sat lyn på listen over klimavariabler, som løbende skal overvåges for at afklare, hvordan de vil påvirke fremtidens klima.

Sære lyn skal kortlægges

Hvorvidt de mystiske opadgående lyn fra skyerne til ionosfæren udleder NOx, er endnu uvist. Røde feer og blå lyn kan ikke ses fra jordoverfladen og er derfor den mindst udforskede del af det globale elektriske kredsløb.

Her fik forskerne dog nye muligheder, da instrumentet ASIM blev taget i brug på Den Internationale Rumstation. Instrumentet, der er udviklet på det danske forskningsinstitut DTU Space, observerer rummet over skytoppene i en vifte af bølgelængder, der spænder fra synligt lys til røntgenstråling og gammastråling.

ASIM indsamler 100.000 målinger i sekundet, hvilket har gjort det muligt at lave detaljerede observationer af de ultrakorte opadgående lyn.

Røde feer spurter fx op i 90 kilometers højde på 100 millisekunder, mens blå lyn tilbagelægger 40-50 km på 400 millisekunder.

I 2021 offentliggjorde forskerne observationer af et enormt blå lyn fra et uvejr over stillehavsøen Nauru. Lynet startede med fem eksplosionsagtige, blå glimt i skytoppen, der kun varede ti mikrosekunder, inden et af glimtene antændte det kraftige blå lyn, som nåede op i 52 kilometers højde.

De kommende års observationer med ASIM vil skaffe detaljerede informationer om mekanismerne bag både blå lyn og røde feer og give yderligere viden om, hvordan de oplader den positive elektrode og sætter strøm til Jordens elektriske hjerteslag.