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.

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

Claus Lunau

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.

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.

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

maan syke jännite pitää yllä virtapiiriä
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Jännite pitää yllä virtapiiriä

50–80 kilometrin korkeudesta alkava ionosfääri toimii akun plusnapana. Sen miinusnapa on puolestaan maanpinta. Niiden välinen jännite-ero saa aikaan maailmanlaajuisen virtapiirin.

maa syke nouseva salama
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Nouseva salama lataa ionosfääriä

Runsaasti energiaa sisältävät salamat syöksevät ukkospilven yläosasta positiivisia varauksia ionosfääriin. Myös salamoimattomista sähkövarauksisista pilvistä nousee positiivisia virtoja, jotka vahvistavat ionosfäärin positiivista varausta.

maa syke negatiivinen maanpinta
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Salama tekee maasta negatiivisen

Maanpinnan varaus muuttuu negatiiviseksi, kun tavallinen salama kylvää sille negatiivisia elektroneja. Positiiviset nousevat salamat ja negatiiviset salamaniskut tuottavat yhdessä valtavan akun jännitteen.

maa syke positiiviset virrat
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

4. Kaunis sää purkaa akkua

Selkeän sään aikana ionosfääristä tulee maanpinnalle positiivisia virtoja ilman pienten sähkövarauksisten molekyylien kautta ja jännite-ero pienenee. Siten ukkonen ja pouta pitävät Maan virtapiirin tasapainossa.

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.

Vuonna 2020 Uruguayn ja Argentiinan yllä havaittiin ennätyksellisen pitkään kestänyt salama, joka näkyi peräti 17,1 sekunnin ajan. Samana vuonna Yhdysvalloissa koettiin 768 kilometriä pitkä salama, joka ulottui Mississippistä, Louisianaan ja Texasiin.

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.

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.

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.