Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Planeetta kietoutuu salamoiviin pilviin: Maan sähköinen syke

Joka vuosi maahan iskee 1,4 miljardia salamaa, ja toinen mokoma räiskyy pilvissä. Siellä arvoitukselliset, rajut energianpurkaukset muodostavat maailmanlaajuisen virtapiirin, joka uhkaa villiintyä.

Laske hitaasti kolmeen. Laskemiseen kuluneiden kolmen sekunnin aikana noin 150 salamaa on iskenyt maahan jossain päin maapalloa.

Joka vuosi maahan iskee 1,4 miljardia salamaa, ja satelliittien ja Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) havaintojen mukaan yhtä suuri määrä säkenöi ilmakehässä.

Tutkimukset vahvistavat skotlantilaisen fyysikon Charles Wilsonin 100 vuotta vanhan teorian: vastakkaissuuntaiset salamat kokoavat maapallon valtavaksi virtapiiriksi.

Kyse on maailmanlaajuisesta sykkeestä, joka jatkuvasti lataa ja purkaa ilmakehän sähköä – ja joka voi ennen pitkää villiinnyttää ilmaston.

Avaruuden hiukkaset sähköistävät

Tavallinen salama syntyy, kun rakeet ja jääkiteet hankaavat toisiaan ukkospilvessä ja irrottavat elektroneja.

Jääkiteet saavat aikaan voimakkaan positiivisen varauksen pilven yläosaan, ja rakeet tekevät sen alaosan varauksesta voimakkaasti negatiivisen. Negatiivinen varaus aiheuttaa maanpinnalle pilven kohdalle positiivisen varauksen, ja jännite-ero vain odottaa tasoittumistaan.

Silmänräpäyksessä 200 000 ampeeria siksakkaa kohti maanpintaa. Ilma kuumenee 30 000-asteiseksi ja muuttuu valkohehkuiseksi plasmaksi valtavassa kipinässä.

Kartta salamaniskuista

Joka vuosi maahan iskee 1,4 miljardia salamaa. Kartta näyttää salamoiden määrän neliökilometriä kohti eri maanosissa. Ukkonen jylisee etenkin Keski-Afrikassa.

© Nasa
Yli 300 ihmistä kuoli, kun salama iski vuonna 1807 ruutitehtaaseen Luxemburgissa.

Näin ei kuitenkaan oikeastaan pitäisi olla.

Nasa lennätti vuonna 2002 Crystal Face -tutkimusohjelmassaan lentokoneen suoraan ukkospilven läpi, jotta se saisi mittaustietoja pilvien sähköjännitteistä. Kävi ilmi, että ukkospilvissä syntyvät jännite-erot ovat liian pieniä aiheuttaakseen salamointia.

Kun kävelee kokolattiamatolla, sen ja jalkojen välinen kitka irrottaa materiaalista elektroneja, jotka leviävät kehoon hankaussähkönä ja tekevät siitä varaukseltaan negatiivisen.

Kosketettaessa sitten kädellä esimerkiksi metallista ovenkahvaa niiden välille syntyy hämmästyttävän suuri jännite-ero: kolme miljoonaa volttia/metri.

Sormet saavat tällin kipinämäisestä sähköpurkauksesta.

Ukkospilvessä jännite-ero on vain noin 200 000 volttia/metri eli 1/15 käden ja kahvan välisestä. Siksi esimerkiksi venäläinen fyysikko Aleksandr Gurevitš esitti teorian, jonka mukaan salamoiden syntymistä edistävät avaruuden runsasenergiaiset protonit.

Avaruuden protonit kuorivat elektroneja ilmamolekyyleistä, jotka käynnistävät pilvessä villin ketjureaktion. Lopulta pilvestä syöksyy ulos elektroniryöppy niin sanottua purkauskanavaa pitkin ja jännite-ero tasoittuu salamaniskuna.

Maan sähköinen syke sydämensyke salamanisku

Salama sähköistyy avaruuden hiukkasista

Ukkospilvien jännite ei pohjimmiltaan riitä irrottamaan elektroneja aineista ja aiheuttamaan salamaa. Siksi on esitetty, että avaruuden runsasenergiaisilla protoneilla on osuus sen syntymässä.

Claus Lunau
Maan sähköinen syke protoneja

1. Protonit irrottavat elektroneja

Kosmisen säteilyn runsasenergiaiset protonit pommittavat jatkuvasti Maan yläilmakehää. Siellä ne iskevät irti elektroneja happi- ja typpimolekyyleistä. Elektronit satavat alailmakehään.

Claus Lunau
Maan sähköinen syke ketjureaktio

2. Ketjureaktio villiintyy

Elektronisade päätyy ukkospilveen, jossa se irrottaa lisää elektroneja ilmamolekyyleistä villinä ketjureaktiona. Negatiivisesti varautuneet elektronit kertyvät lopuksi pienelle alueelle ukkospilven alaosaan.

Claus Lunau
Maan sähköinen syke purkauskanava muodostuu

3. Purkauskanava levähtää auki

Pilven alaosaan muodostuu niin sanottu purkauskanava, jota pitkin elektronit liikkuvat 50–100 metrin ryöpsähdyksinä kohti positiivisesti varautunutta maanpintaa. Jokaisessa ryöpyssä elektronit kertyvät purkauskanavan päähän 50 mikrosekunnin välein.

Claus Lunau
Maan sähköinen syke purkauskanava

4. Positiivinen virta nousee

Purkauskanava haaroittuu pilvestä, ja kun sen pisin haara lähestyy maanpintaa, sitä kohti nousee positiivisesti varautunut virta. Tämä lähtee yleensä ympäristöään korkeammasta kohdasta, kuten mäellä kohoavasta puusta.

Claus Lunau
Maan sähköinen syke sydämensyke salamanisku

5. Salama iskee

Pilvestä tulevan negatiivisen purkauskanavan ja maasta tulevan positiivisen purkauskanavan kohdatessa jännite-ero tasoittuu. Energia purkautuu salamaniskuna, joka kestää neljännessekunnin ja aiheuttaa 3–4 välähdystä noin 0,04 sekunnin välein.

Claus Lunau

Teoriaa kosmisesta osatekijästä tukevat satelliittien ja ISS:n tekemät mittaukset, jotka ovat paljastaneet gammasäteilyä ukkospilvistä.

Gammasäteily on eniten energiaa sisältävää säteilyä, ja tutkijoiden mukaan sitä esiintyy purkauskanavan kärjessä, jossa kosmiset hiukkaset sysäävät elektroneihin lisää energiaa.

Eikä salamointi rajoitu vain pilvien ja maanpinnan väliin – sitä esiintyy myös korkealla ilmakehässä niin, että planeetan ympärille muodostuu maailmanlaajuinen virtapiiri.

Maa sykkii salamoiden tahtiin

Kun Carnegie-niminen puulaiva kiersi vuonna 1909 maapalloa 480 000 kilometrin verran, tutkijat mittasivat ilmakehän sähkövarauksia ja löysivät valtamerien yltä päivittäisen ”sykkeen”, joka tunnetaan Carnegie-käyränä.

Havainto sai skotlantilaisen fyysikon Charles Wilsonin esittämään vuonna 1920 teorian, jonka mukaan maanpinta ja 50–80 kilometrin korkeudessa sijaitseva ionosfäärin alaosa toimivat valtavan akun negatiivisena ja positiivisena elektrodina.

Wilsonin mukaan akkua lataavat ukkospilvien salamointi. Jokin aika sitten yhdysvaltalainen ilmakehän tutkija Michael Peterson ja hänen kollegansa osoittivat satelliittien tekemien mikroaaltomittausten avulla oletuksen oikeaksi.

Salamointi lataa Maan akun

Maapalloa ympäröi virtapiiri, jota pitää yllä maanpinnan ja ionosfäärin välinen 250 000 voltin jännite-ero. Salamat lataavat virtapiiriä, kun taas kirkas pouta purkaa sitä.

Kun ukkostaa, salamointi syöksee negatiivisesti varautuneita elektroneja maanpinnalle. Nousevat salamat sen sijaan siirtävät pilvien yläosasta positiivisia varauksia ionosfääriin.

Vastakkaissuuntaiset salamat luovat ionosfäärin ja maanpinnan välille 250 000 voltin jännite-eron, joka lataa akkua.

Poudalla ionosfääri purkautuu. Vaikka napojen välissä oleva ilma on yleensä sähkövarauksetonta, se sisältää vähän sähköisesti varautuneita molekyylejä ja atomeja eli ioneja, jotka johtavat positiivisia varauksia ionosfääristä maanpinnalle.

Anturit varoittavat salamoista

Ilmakehän akun parhaiten tunnettu osa on tavalliset maasalamat, jotka iskevät pilvestä alaspäin.

Nykyään salamointia seurataan muun muassa maailmanlaajuisella mittausasemaverkolla, jonka nimi on Global Lightning Dataset. Salamapurkauksissa syntyy pientaajuista radiohälyä, jonka mittausasemien anturit rekisteröivät jopa 10 000 kilometrin päästä.

Pitkäikäisin salama loisti maaliskuussa 2019 Argentiinan taivaalla 16,7 sekuntia.

Anturit antavat ajantasaista salamatietoa, ja koska ne on liitetty GPS-järjestelmään, mittausasemat voivat paikantaa salamaniskun 2–3 kilometrin tarkkuudella. Yhdysvalloissa, jonka verkko on tihein, osumiskohta voidaan määrittää 200 metrin virhemarginaalilla.

Salamoinnista lisää tutkimustietoa kaivannut Nasa lähetti vuonna 2018 GOES-16-satelliitin. Se valvoo suurinta osaa Pohjois- ja Etelä-Amerikasta ja havaitsee esimerkiksi satojen kilometrien pituisia salamoita, jotka iskevät pilvestä toiseen.

Satelliitti GOES-16

Satelliitti GOES-16 bongaa 36 000 kilometrin korkeudesta niitä valtavia salamoita, joita ukkospilvet syöksevät toisiinsa. Pisin GOES-16:n havaitsema salama venyi Brasilian päällä 709 kilometrin pituiseksi.

© Lockheed Martin/NOAA

Kun maa-asemaverkko antaa tarkkaa tietoa salamien osumapaikasta, satelliitit auttavat muodostamaan yleiskuvan ukkosmyrskyjen laajuudesta ja liikkeestä.

Yhdistämällä kahdenlaista dataa voidaan parantaa ukkosennusteita. Siksi yhdysvaltalaiset sääpalvelut pystyvät antamaan luotettavia varoituksia rajusta ukonilmasta ja runsaasta salamoinnista esimerkiksi sähköyhtiöille ja lentoasemille.

Lisäksi tietoja voidaan hyödyntää arvioitaessa maastopalojen vaaraa.

Tutkimusten mukaan maastopaloja sytyttävät etenkin hidasliikkeiset salamat, jotka eivät tasoita pilven ja maanpinnan välistä jännite-eroa kerralla yhtenä purkauksena. Sen sijaan heikommat, 10–100 kertaa niin pitkään kestävät sähkövirrat kulkevat maata pitkin.

Metsäpalo Ruotsissa

Monet Ruotsissa vuonna 2018 syttyneet metsäpalot saivat ilmeisesti alkunsa salamaniskusta.

© Ritzau / Scanpix

GOES-16-satelliitti pystyy erottamaan maassa matelevat salamat, ja yhdistämällä sateliiitin ja radioverkon tiedot voidaan paremmin palvella palontorjuntaa. Sen ansiosta laajan maastopalon riski pienenee.

Eivätkä sammuttajilta lopu työt.

Salamaryöpyt uhkaavat ilmastoa

Sitä mukaa kuin maapallon keskilämpötila nousee, merien haihtuminen voimistuu. Siksi ilmakehän vesimäärä kasvaa, mikä taas lisää ukkosia ja salamointia.

Muun muassa yhdysvaltalaisennusteen mukaan yhden asteen lämpötilan nousu runsastaa salamointia 12 prosenttia.

Lisäksi Pohjois-Euroopan ja Fennoskandian ilmastomallit antavat ymmärtää, että ilmastonmuutos pidentää ukkosjaksoja jo vuoteen 2100 mennessä. Sama pätee napa-alueeseen, vaikka kylmällä ilmastovyöhykkeellä salamoi harvoin.

.

Salamat käristävät Eurooppaa

  • Salamat osuvat Eurooppaan - Salamat käristävät Eurooppaa
    © Getty Images

    Ilmaston lämpeneminen tarkoittaa, että ilma sisältää enemmän energiaa ja muuttuu ukkosherkemmäksi Euroopassa – ja etenkin sen pohjoisosissa. Lue kasvavasta rajun salamoinnin ja jättiläisrakeiden uhkasta Pohjolassa täältä: (indsæt link til artikel).

Ilmaston muuttumisesta kertoo keskilämpötilan nousu pohjoisella napa-alueella, jossa se on kivunnut paikoitellen jo 2–4 astetta korkeammalle vuoden 1960 jälkeen.

Maailmanlaajuinen World Wide Lightning Location Network ilmoittaa vuosittaisen salamamäärän kasvaneen vuosien 2010 ja 2020 välillä 35 000:sta neljännesmiljoonaan.

Salamaniskut sytyttävät tundralla jatkuvasti enemmän turvemaata. Kehitystä pidetään huolestuttavana, sillä tundran osuus kaikesta maaperään varastoituneesta hiilestä on 14 prosenttia.

Venezuelassa sijaitsevaan Maracaibojärveen iskee 3 000 000 salamaa vuodessa.

Soiden palavista turvekerroksista saattaa siten vapautua runsaasti hiilidioksidia ilmakehään.

Lisäksi salamoinnin yleistyminen voi myötävaikuttaa itsestään voimistuvaan ilmaston lämpenemiseen, sillä rajut sähköpurkaukset tuottavat muun muassa dieselpäästöistä tuttuja typen oksideja (NOx), jotka kuuluvat voimakkaisiin kasvihuonekaasuihin.

Laskelmien mukaan maasalamoiden takia syntyy 8,6 miljoonaa tonnia typen oksideja vuodessa, ja toinen mokoma muodostuu pilvien välisessä salamoinnissa.

Siksi Maailman ilmatieteen järjestö (WMO) on hiljattain lisännyt salamoinnin niiden tekijöiden luetteloon, jotka pitää ottaa huomioon ennustettaessa ilmaston kehittymistä.

Oudot salamat kartoitetaan

Vielä ei tiedetä, kuinka paljon arvoitukselliset pilvistä ionosfääriin nousevat salamat tuottavat typen oksideja. Punaisia keijusalamoita ja sinisiä viuhkasalamoita on vaikea havainnoida maanpinnalta, mistä syystä ne ovat maailmanlaajuisen virtapiirin huonoiten tunnettuja osia.

Tutkimusmahdollisuudet ovat kuitenkin parantuneet sen jälkeen, kun ISS:llä otettiin käyttöön ASIM (atmosphere-space interactions monitor). Tanskalaisen DTU Space -tutkimuslaitoksen kehittämä väline havainnoi pilvien yläpuolista ilmakehää laajalla aallonpituusalueella, joka ulottuu näkyvästä valosta röntgen- ja gammasäteilyyn.

ASIM kerää 100 000 mittaustulosta sekunnissa ja mahdollistaa näin yksityiskohtaiset havainnot erittäin lyhyistä nousevista salamoista.

ISS bongaa kummajaisia

Kansainvälinen avaruusasema on 420 kilometrin korkeudessa kulkevan ratansa ansiosta ihanteellinen paikka tutkia ukkospilvistä nousevia salamoita. ASIM-laitteen tekemät havainnot ovat auttaneet ymmärtämään paremmin yläsalamoita, kuten keiju- ja viuhkasalamoita, sekä gammapurkauksia.

Esimerkiksi keijusalamat syöksyvät 90 kilometrin korkeuteen 100 millisekunnissa ja viuhkasalamat kulkevat 40–50 kilometriä 400 millisekunnissa.

Vuonna 2021 julkaistiin Tyynellämerellä sijaitsevan Naurun yläpuolella havaittua valtavaa viuhkasalamaa koskevat tiedot. Niiden mukaan se sai alkunsa pilven yläosan viidestä räjähdysmäisestä sinisestä leimahduksesta, jotka kestivät kymmenen mikrosekuntia. Sitten välähti kirkas sininen salama, joka ulottui 52 kilometrin korkeuteen.

ASIMin odotetaan tarkentavan jo lähitulevaisuudessa kuvaa viuhka- ja keijusalamoiden syntytavasta ja sen toivotaan paljastavan, kuinka ne lataavat positiivista elektrodia ja pitävät yllä Maan sähköistä sykettä.

Lue myös:

Kirjaudu sisään

Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
Näytä Piilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!

Nollaa salasana

Syötä sähköpostiosoitteesi, niin saat ohjeet salasanasi nollaamiseksi.
Tarkista sähköpostiosoite

Tarkista sähköpostisi

Olemme lähettäneet sinulle sähköpostia osoitteeseen . Siinä on ohjeet, joiden avulla voit nollata salasanasi. Jos et ole saanut sähköpostia, tarkista, että se ei ole joutunut roskapostin joukkoon.

Anna uusi salasana.

Nyt sinun pitää antaa uusi salana. Salasanassa pitää olla vähintään 6 merkkiä. Kun olet luonut uuden sanasanan, sinua pyydetään kirjautumaan sisään palveluun.

Salasana vaaditaan
Näytä Piilota