Žijeme uvnitř elektrického obvodu

Když lidé slyší výraz vesmírné počasí, mohou si představit sluneční erupce narušující satelity nebo polární záři třpytící se v polární noci. V jádru však vesmírné počasí není nic exotického, je to pouze chování nabitých částic proudících ze Slunce.

Vnější vrstvy Slunce tvoří kypící plazma: tak horké, že elektrony a protony již nejsou vázány v atomech, ale pohybují se volně. Jako obrovský filament ve vakuové trubici Slunce neustále vyzařuje tento elektricky vodivý fluid jako sluneční vítr. Ten proudí ven přes sluneční soustavu rychlostí stovek kilometrů za sekundu a nese s sebou elektrony, protony, alfa částice a zamotané magnetické pole.

Vesmírné sondy v bodě L1 – milion kilometrů proti proudu od Země – měří sluneční vítr v reálném čase. Říkají nám, kolik elektronů, protonů a těžších iontů přichází a jak rychle. Za klidných podmínek má vítr mírný přebytek elektronů, takže meziplanetární prostor nese slabě negativní náboj.

Když ze Slunce vybuchne koronální výron hmoty (CME), rovnováha se mění. Obrovské bubliny plazmatu a magnetického pole se šíří vesmírem a narážejí na magnetický štít Země. Na pólech část této energie proudí dolů podél linií magnetického pole a excituje atomy kyslíku a dusíku do světélkujících závěsů zelené a červené barvy: polární záře severní na severní polokouli a polární záře jižní na jižní.

Země je v tomto prostředí ponořena miliardy let. Vodivá tělesa ponořená do plazmatu nezůstávají neutrální; hromadí náboj. Během geologického času se Země ustálila na mírně negativním elektrickém potenciálu vzhledem k jejímu vesmírnému prostředí.

Tento poznatek je naším přechodem z vesmíru na oblohu: pokud je Země negativní a prostor nad ní je zalit elektrony a protony, jak se vyrovnává náboj v samotné atmosféře? Odpovědí je ionosféra.

Ionosféra a pole klidného počasí

Ionosféra začíná přibližně 50 km nad zemí a sahá do stovek kilometrů. Tam sluneční ultrafialové světlo a přicházející částice odtrhávají elektrony od atomů, čímž zanechávají řídký plyn iontů. Pro nás na zemi se zdá vzduch jako izolant. Ale s rostoucí výškou ionizace rychle narůstá a vodivost stoupá o několik řádů.

Ionosféra byla objevena ve 20. letech 20. století, nikoli fyziky, ale rádiovými inženýry. Edward Appleton a jeho kolegové si všimli, že rádiové vlny někdy cestují daleko za horizont. Signály se odrážely od vodivé vrstvy vysoko nad zemí – co nyní nazýváme vrstvy E a F ionosféry. Tato „zrcadlo na obloze“ umožnilo globální vysílání a za svou práci získal Appleton Nobelovu cenu.

Ale ionosféra má hlubší význam než jen rádio. Představte si Zemi jako vodivou kouli nesoucí negativní náboj a ionosféru jako pozitivně nabitou skořápku desítky kilometrů vysoko. Mezi nimi leží atmosféra: není dokonalým vakuem ani dokonalým izolantem, ale netěsným dielektrikem. Společně tvoří kulový kondenzátor, nabitý přibližně na +250 000 voltů.

Na zemi se tento potenciál projevuje jako atmosférické elektrické pole klidného počasí: přibližně +100 až +300 voltů na metr, směřující dolů. Jinými slovy, pozitivní ionosféra přitahuje elektrony nahoru, takže povrch zůstává relativně negativní. Protože vzduch se s výškou stává vodivějším, většina tohoto poklesu napětí se odehrává v nejnižších 10–15 km – v troposféře, kde se nacházejí všechny mraky a počasí.

Za klidných podmínek je toto pole stabilní, modulované pouze globálním rytmem všech bouřek na světě – denním cyklem zvaným Carnegieho křivka. Tento klidný základ však připravuje scénu pro drama bouřek.

Bouřky jako elektrické stroje

Uvnitř rostoucího kumulonimbusového mraku se střetávají triliony ledových částic a kapiček. Každá nese ionty: H⁺ a OH⁻, které jsou ve vodě neustále přítomny. Okolní elektrické pole ovlivňuje, jak se tyto náboje pohybují. Malé ledové krystaly mají tendenci získávat pozitivní náboj a jsou unášeny vzhůru stoupavými proudy, zatímco těžší ledové krupky shromažďují negativní náboj a klesají do středních vrstev.

Výsledkem je tripólová struktura:

-   hlavní oblast negativního náboje ve výšce 4–7 km,
-   pozitivní oblast na vrcholu mraku (10–12 km),
-   někdy sekundární pozitivní vrstva poblíž základny.

Tato separace odráží slavný experiment z 19. století. V roce 1867 Lord Kelvin – známý především díky termodynamické teplotní škále – postavil zařízení pouze z kapající vody, kroužků a kbelíků. Kelvinův vodní kapkový generátor využíval drobných iontových nerovnováh v padajících kapkách. S chytrou indukcí se tyto výkyvy posilovaly, dokud z přístroje nevyskočily jiskry dlouhé tisíce voltů.

Kelvinovo stolní zařízení bylo miniaturou bouřky. Mraky jsou prostě větší verzí stejné továrny na náboje, poháněné gravitací, konvekcí a kolizemi.

Většina blesků, které vidíme, pochází z negativní střední vrstvy vybíjející se na zem. Ale někdy uvolní svůj náboj horní pozitivní oblast. Tyto pozitivní blesky jsou mnohem silnější, nesou větší proudy a dosahují desítky kilometrů do stran – nechvalně známé „blesky z čistého nebe“. Jsou vzácné, ale smrtící, a jsou opakem pole klidného počasí: pozitivní vrchol mraku se vybíjí přímo na Zemi.

Každá bouřka tedy funguje jako generátor, pumpující pozitivní náboj nahoru do ionosféry a negativní náboj dolů na zem. Dohromady ~2 000 aktivních bouřek na Zemi udržuje globální potenciál 250 kV, doplňuje to, co by jinak uniklo. Bouřky nejsou jen jevy počasí; jsou to elektrárny planetárního elektrického obvodu.

Bouřky sahající do vesmíru

Po staletí se věřilo, že blesky jsou omezeny pod základnu mraku. Ale obvod funguje oběma směry. Bouřky se také vybíjejí nahoru, do ionosféry, někdy až do blízkého vesmíru.

V 90. letech satelity hledající kosmické výbuchy gama záření objevily něco nečekaného: milisekundové záblesky gama záření ze samotné Země. Tyto terestrické záblesky gama záření (TGF) vznikají, když elektrická pole na vrcholu bouřky zrychlují elektrony na téměř relativistické rychlosti, narážejí do molekul vzduchu a emitují gama záření. Bouřka se stává přirozeným urychlovačem částic, konkurujícím strojům vytvořeným člověkem.

Dlouho předtím, než to satelity potvrdily, piloti na velkých výškách šeptali o podivných světlech: červených zářích, modrých kuželech, halo podobných prstencích nad bouřkami. Piloti U-2 v 50. letech mohli být mezi prvními, kdo je viděli, ale jejich zprávy byly zamítnuty jako optické iluze. Teprve koncem 20. století je zachytily kamery:

-   Červené sprite: obrovské výboje ve tvaru medúzy sahající 80–90 km.
-   Modré trysky: úzké modré kužele od vrcholů bouřek až do 50 km.
-   Elves: rozšiřující se červené prstence ve výšce 90 km, způsobené elektromagnetickými pulzy blesků.

Společně tvoří přechodné světelné jevy (TLE) – skryté blesky oblohy, spojující bouřky s ionosférou. Dokazují, že bouřky nejsou lokální, ale globální aktéři, vstřikující energii a částice nahoru, narušující šíření rádiových vln, oběžné dráhy satelitů, dokonce i radiační pásy.

Začali jsme s vesmírným počasím jako něčím, co je Zemi vnucováno. Nyní vidíme opak: Země sama generuje vesmírné počasí prostřednictvím svých bouřek.

Život uvnitř obvodu

Nyní je obrys jasný: Země, ionosféra a vesmír jsou svázány v globálním elektrickém obvodu. Přesto tento témat nešikovně spadá mezi disciplíny.

-   Astronomové a vesmírní fyzici se zaměřují na sluneční bouře a magnetosféry.
-   Meteorologové studují mraky, srážky a blesky na zemi.
-   Geofyzici zkoumají zemětřesení a sopky, které také narušují elektrická pole.

Výsledkem je, že atmosférická elektřina propadá mezerami. Standardní zprávy o počasí uvádějí teplotu, tlak, vítr a vlhkost – ale ne statické atmosférické pole, i když ho lze měřit jednoduchým měřičem pole.

Proč ho měřit?

Už máme modely. Sítě blesků (Blitzortung, ALDIS, EUCLID) ukazují aktivitu bouřek v reálném čase sledováním sferiků, rádiových pulzů blesků. Proč nepostavit totéž pro statická elektrická pole?

Taková síť by mohla:

-   Dát včasné varování před pozitivními blesky, nejvíce nebezpečnými údery.
-   Sledovat vývoj bouřek: růst pole signalizuje konvekci; změny polarity signalizují rozpad.
-   Ukázat spojení s vesmírným počasím, propojující CME a kosmické záření s poli na úrovni země.
-   Poskytnout vědecký základ pro mnohé, kteří říkají, že „cítí počasí“ ve svých tělech.

Volání k observatořím

Mnoho observatoří již měří atmosférickou elektřinu, ale data jsou roztroušená a skrytá. Koordinované globální úsilí nazvané GLOCAEM (Globální koordinace měření atmosférické elektřiny) bylo zahájeno před několika lety a propojuje přibližně 20–30 stanic z Evropy, Asie, Afriky a Amerik. Některé z těchto míst – jako Observatoř Conrada v Rakousku, Lomnický štít na Slovensku a Eskdalemuir ve Skotsku – mají dlouhou historii nepřetržitého monitorování gradientu potenciálu.

Na rozdíl od sítí blesků, jako je Blitzortung, však tyto datové toky zůstávají převážně v rukou výzkumníků. Grafy v reálném čase existují, ale nejsou široce propagovány ani navrženy pro veřejné použití. Pro většinu lidí – dokonce i pro studenty fyziky – je atmosférické pole stále neviditelné.

To je ta mezera: ne měření, ale přístupnost. Co je potřeba, je překlad vědeckých archivů do veřejných panelů a otevřených API, stejným způsobem, jak sítě sferiků umožnily sledování aktivity bouřek každému v reálném čase. Vrstva občanské vědy nad stávajícími výzkumnými sítěmi by mohla uzavřít smyčku – proměnit skryté grafy observatoří v živou „pátou proměnnou počasí“.

Dokončení obrazu

Žijeme uvnitř elektrického obvodu. Země je negativní deskou, ionosféra je pozitivní a bouřky jsou generátory. Blesky jsou pouze nejviditelnějším příznakem. Sprite, trysky, gama záření a proudy klidného počasí jsou zbytkem.

Přenesení tohoto skrytého rozměru počasí do veřejného pohledu – otevřením dat a budováním sítí – by dokončilo naše chápání oblohy. Dalo by nám lepší nástroje pro předpověď, nové poznatky o klimatu a zdraví a obnovilo by pocit úžasu: uvědomění, že svět, po kterém chodíme, nejen rotuje ve vesmíru, ale září, hučí a jiskří uvnitř planetárního elektrického stroje.