Lyn forbinder planeten i gigantisk nettverk: Jordens elektriske hjerteslag

Men faktisk burde det ikke være slik i det hele tatt.

Da den amerikanske romfartsorganisasjonen Nasa med prosjektet Crystal Face i 2002 sendte et fly direkte gjennom en tordensky for å måle de elektriske spenningene der inne, viste det seg nemlig at spenningsforskjellen i tordenskyer er altfor lav til å kunne utløse et lyn.

Når du går over et gulvteppe, skreller friksjonen mellom føttene og teppet elektroner av gulvteppet som fordeles i kroppen som statisk elektrisitet og gjør den negativt ladet.

Hvis du senere berører for eksempel et metallhåndtak, oppstår det en forbløffende høy spenningsforskjell – tre millioner volt per meter – mellom hånden og håndtaket.

Med et smell hopper det en gnist, og hånden får et støt.

Men spenningsforskjellen i tordenskyer er bare på om lag 200 000 volt per meter – altså bare 1/15 av spenningen mellom hånden og dørhåndtaket. Det har blant annet fått den russiske fysikeren Aleksander Gurevitsj til å framsette en teori om at lynene blir hjulpet på vei av energirike protoner fra verdensrommet.

Romprotonene skreller elektroner av luftmolekylene, noe som setter gang i en kjedereaksjon i skyen. Til slutt skyter en flodbølge av elektroner ned fra tordenskyen gjennom en såkalt lynkanal og utlikner spenningen: et lynnedslag.

Forskernes teori om den kosmiske innblandingen blir underbygd av målinger fra satellitter og fra ISS, som har registrert gammastråling fra tordenskyer.

Gammastråling er den mest energirike formen for stråling, og ifølge forskerne blir den sendt ut i spissen av en lynkanal der elektroner har blitt akselerert opp til høye energier av de kosmiske partiklene.

Og det er ikke bare mellom skyene og jorden lynene hopper – de skyter også høyt opp i atmosfæren og forbinder hele kloden i et verdensomspennende elektrisk kretsløp.

Lyn lader opp globalt kretsløp

I 1909 seilte trebåten Carnegie 480 000 kilometer – jorden rundt – og foretok målinger av atmosfærens elektriske ladning. Hver dag registrerte forskerne en daglig «puls» over havene som ble kjent som Carnegie-kurven.

Oppdagelsen fikk i 1920 den skotske fysikeren Charles Wilson til å framsette en teori om at jordoverflaten og bunnen av ionosfæren i 50–80 kilometers høyde fungerer som henholdsvis den negative og den positive elektroden i et gigantisk oppladbart batteri.

Ifølge Wilson blir batteriet ladet opp av lyn fra tordenvær, og nå har den amerikanske atmosfæreforskeren Michael Peterson og kollegene hans ved hjelp av mikrobølgemålinger fra satellitter bekreftet teorien.

Under et tordenvær sender lynnedslag negative elektroner ned på jordoverflaten, mens oppadgående lyn sender positive ladninger fra skytoppene opp til ionosfæren.

De motsattrettede lynene skaper en spenningsforskjell på 250 000 volt mellom ionosfæren og jordoverflaten, noe som lader opp batteriet.

I klart vær blir ionosfæren utladet. Selv om luften mellom de to polene generelt er nøytral, inneholder den en beskjeden mengde ioner – atomer og molekyler med ladning – som leder de positive ladningene fra ionosfæren ned mot overflaten.

Sensorer skal varsle lynnedslag

Den best undersøkte delen av det atmofæriske batteriet er de tradisjonelle lynene fra skyene til jordoverflaten.

I dag blir lynnedslag blant annet registrert av et verdensomspennende nettverk av målestasjoner som kalles Global Lightning Dataset. Lynutladninger sender ut lavfrekvent radiostøy som målestasjonene registrerer på opptil tusen mils avstand.

Sensorene fanger opp lynnedslag i sanntid, og siden de er koblet til GPS-systemet, kan målestasjonene angi lynnedslag innenfor en margin på 2–3 kilometer. I USA, der nettverket er mest finmasket, kan nedslagspunktet til et lyn fastslås med en margin på 200 meter.

For å samle enda mer informasjon om lynene sendte Nasa i 2018 opp satellitten GOES-16, som overvåker det meste av Nord- og Sør-Amerika og blant annet fanger opp flere hundre kilometer lange lyn mellom skyene.

Mens det jordbaserte nettverket av målestasjoner gir presise posisjoner for lynnedslag, leverer satellitten det store overblikket over tordenskyenes utstrekning og bevegelser.

Kombinasjonen av de to typene data har forbedret mulighetene for å forutsi hvor et tordenvær er på vei. Derfor kan de amerikanske meteorologene sende ut presise lynvarsler til for eksempel strømselskaper og flyplasser.

Et annet mål med dataene er å kunne varsle om skogbranner.

Studier har vist at brannene særlig blir antent av saktegående lyn som ikke utlikner hele spenningsforskjellen mellom skyen og overflaten i ett enkelt raskt glimt. I stedet blir 10–100 ganger mer langvarige, men svakere, elektriske strømmer utløst gjennom jordbunnen.

GOES-16-satellitten kan få øye på disse jordkrypende lynene, og ved å kombinere data fra satellitten med presise opplysninger fra radionettverket får brannvesenet bedre mulighet til å bekjempe brannen før den vokser seg for stor.

Og brannvesenet vil få nok å gjøre.

Lynkaskade truer klimaet

I takt med den globale oppvarmingen vil det fordampe mer vann fra havene. Det øker mengden vann i atmosfæren, noe som vil gi flere tordenskyer og flere lynnedslag.

En prognose for USA tyder for eksempel på at antallet lyn vil vokse med tolv prosent for hver grad jordens temperatur stiger.

Samtidig viser klimamodeller for Nord-Europa og Skandinavia at oppvarmingen fram mot år 2100 vil føre til mer tordenvær. Det samme gjelder Arktis, der det kalde klimaet gjør at lynnedslag har vært en sjeldenhet.

Men de globale temperaturstigningene har allerede slått kraftig ut nord for polarsirkelen, der temperaturen i noen områder har steget med to–fire grader siden 1960.

Ifølge det globale World Wide Lightning Location Network har antallet lynnedslag nord for polarsirkelen steget fra 35 000 i 2010 til en kvart million i 2020.

Lynnedslag i tundraen tenner nå et stigende antall branner i områder med mye torv. Utviklingen er bekymringsverdig fordi tundraen inneholder 14 prosent av alt karbon som er lagret på land i hele verden.

Brennende torv kan derfor føre til utslipp av store mengder CO2 til atmosfæren.

Samtidig vil flere lyn øke den globale oppvarmingen fordi de produserer nitrogenoksider, NOx. Disse gassene kan inngå i produksjonen av ozon, som kan virke som en drivhusgass. Prosessen blir dermed selvforsterkende.

Ifølge beregninger bidrar lynnedslagene med 8,6 millioner tonn NOx i året, og i tillegg kommer en tilsvarende mengde fra lyn som hopper mellom skyene.

Derfor har World Meteorological Organization nettopp satt lyn på listen over klimavariabler som løpende skal overvåkes for å avklare hvordan de vil påvirke framtidens klima.

Underlige lyn skal kartlegges

Om de mystiske oppadgående lynene fra skyene til ionosfæren slipper ut NOx, er enda uvisst. Røde lysånder og blå lyn kan ikke ses fra jordoverflaten og er derfor den minst utforskede delen av det globale elektriske kretsløpet.

Her fikk forskerne imidlertid nye muligheter da instrumentet ASIM ble tatt i bruk ved Den internasjonale romstasjonen. Instrumentet, som er utviklet på det danske forskningsinstituttet DTU Space, observerer rommet over skytoppene i en rekke bølgelengder som spenner fra synlig lys til røntgenstråling og gammastråling.

ASIM samler inn 100 000 målinger i sekundet, noe som har gjort det mulig å gjennomføre detaljerte observasjoner av de ultrakorte oppoverlynene.

Lysånder spurter for eksempel opp i 90 kilometers høyde på 100 millisekunder, mens blå lyn tilbakelegger 40–50 kilometer på 400 millisekunder.

I 2021 offentliggjorde forskerne observasjoner av et enormt blått lyn fra et uvær over stillehavøya Nauru. Lynet startet med fem eksplosjonsartede blå glimt i skytoppen som bare varte i ti mikrosekunder før et av glimtene antente det kraftige blå lynet som nådde opp i 52 kilometers høyde.

I årene som kommer, vil observasjoner med ASIM sørge for detaljerte opplysninger om mekanismene bak både blå lyn og lysalver og gi ytterligere kunnskap om hvordan de lader opp den positive elektroden og gir jorden de elektriske hjerteslagene.