https://ninkilim.com/articles/we_live_inside_an_electric_circuit/is.html
Þegar fólk heyrir hugtakið geimveður gæti það hugsað um sólgos sem trufla gervitungl eða norðurljós sem glóa á pólarnótt. En í kjarna sínum er geimveður ekkert framandi heldur en hegðun hlaðna agna sem streyma út frá sólinni.
Ytri lög sólarinnar eru iðandi plasma: svo heitt að rafeindir og róteindir eru ekki lengur bundnar í atómum heldur hreyfast frjálslega. Eins og risastór glóþráður í lofttæmisröri gefur sólin stöðugt frá sér þennan rafleiðandi vökva sem kallast sólvindur. Hann streymir út um sólkerfið á hundruðum kílómetra á sekúndu og ber með sér rafeindir, róteindir, alfaagnir og flækt segulsvið.
Geimfar á L1-punkti – ein milljón kílómetra uppstreymis frá jörðinni – mæla sólvindinn í rauntíma. Þau segja okkur hversu margar rafeindir, róteindir og þyngri jónir koma og hversu hratt. Við rólegar aðstæður hefur vindurinn tilhneigingu til að vera með örlítinn umfram rafeinda, þannig að milligeimrýmið ber veika neikvæða hleðslu í bakgrunni.
Þegar korónumassaejeksjón (CME) springur frá sólinni breytist jafnvægið. Risastórar loftbólur af plasma og segulsviði sópa í gegnum geiminn og rekast á segulskjöld jarðar. Á pólunum er hluti af þessari orku leiddur niður meðfram segulsviðslínum, sem örvar súrefnis- og köfnunarefnisatóm í glóandi tjald af grænum og rauðum litum: norðurljós á norðurhveli og suðurljós á suðurhveli.
Jörðin hefur baðað sig í þessu umhverfi í milljarða ára. Leiðandi hlutir sem eru sökktir í plasma haldast ekki hlutlausir; þeir safna hleðslu. Yfir jarðfræðilegan tíma hefur jörðin komist í örlítið neikvætt rafmagnspotensíal miðað við geimumhverfi sitt.
Þessi skilningur er umbreyting okkar frá geimi til himins: ef jörðin er neikvæð og geimurinn fyrir ofan er baðaður í rafeindum og róteindum, hvernig jafnar hleðslan sig út í andrúmsloftinu sjálfu? Svarið er jónahvolfið.
Jónahvolfið byrjar í um 50 km hæð og nær út í hundruð kílómetra. Þar slær útfjólublátt ljós sólarinnar og innkomnar agnir rafeindir frá atómum og skilja eftir þynnt gas af jónum. Fyrir okkur á jörðinni virðist loftið vera einangrari. En með hæð eykst jónun hratt og leiðni eykst um marga stærðargráður.
Jónahvolfið var uppgötvað á 1920-árunum, ekki af eðlisfræðingum heldur af útvarpsverkfræðingum. Edward Appleton og samstarfsmenn hans tóku eftir því að útvarpsbylgjur ferðuðust stundum langt út fyrir sjóndeildarhringinn. Merkin skutust af leiðandi lagi hátt uppi – það sem við köllum nú E- og F-lög jónahvolfsins. Þessi „spegill á himni“ gerði alþjóðlegar útsendingar mögulegar og verk Appleton skilaði honum Nóbelsverðlaunum.
En út fyrir útvarp hefur jónahvolfið dýpri þýðingu. Ímyndaðu þér jörðina sem leiðandi kúlulaga hlut sem ber neikvæða hleðslu og jónahvolfið sem jákvætt hlaðið skel tugi kílómetra uppi. Milli þeirra liggur andrúmsloftið: hvorki fullkomið tómarúm né fullkominn einangrari, heldur leki díelektrískt efni. Saman mynda þau kúlulaga þétti, hlaðinn upp í um +250.000 volt.
Á jörðinni birtist þetta potensíal sem rafmagnsvið veðurfarsins: um +100 til +300 volt á metra, beint niður á við. Með öðrum orðum, jákvætt jónahvolf dregur rafeindir upp á við og skilur yfirborðið eftir tiltölulega neikvætt. Þar sem loftið verður leiðandi með hæð á sér mestur hluti spennufallsins stað í lægstu 10–15 km – veðrahvolfinu, þar sem allar ský og veður eru til staðar.
Við rólegar aðstæður er þetta svið stöðugt, aðeins móttekið af alþjóðlegum takti allra storma heimsins – daglegum hring sem kallast Carnegie-ferillinn. Þessi rólegi grunnur setur þó sviðið fyrir drama þrumuveðra.
Inni í vaxandi kumulónímbusskýi rekast trilljónir ísagna og dropa saman. Hver ber jónir: H⁺ og OH⁻ sem eru stöðugt til staðar í vatni. Umhverfisrafmagnssviðið hefur áhrif á hvernig þessar hleðslur hreyfast. Litlir ískristallar hafa tilhneigingu til að taka upp jákvæða hleðslu og eru bornir upp á við af uppstreymi, á meðan þyngri graupel safnar neikvæðri hleðslu og fellur niður á miðlæg stig.
Niðurstaðan er þrískauta uppbygging:
Þessi aðskilnaður endurspeglar fræga tilraun frá 19. öld. Árið 1867 byggði Lord Kelvin – þekktastur fyrir hitafræðilega hitastigsskala – tæki með aðeins dropandi vatni, hringjum og fötum. Kelvin-vatnsdroparafallinn nýtti smávægilega jóníska ójafnvægi í fallandi dropum. Með snjöllri framköllun styrktust þessar sveiflur þangað til neistar þúsundir volta sprungu frá tækinu.
Borðtæki Kelvins var þrumuveður í smækkaðri útgáfu. Ský eru bara stærri útgáfur af sömu hleðsluverksmiðju, knúnar af þyngdarafl, lofthreyfingu og árekstrum.
Flestir eldingar sem við sjáum koma frá neikvæða miðlaginu sem losar sig til jarðar. En stundum losar jákvæða efra svæðið hleðslu sína. Þessar jákvæðar eldingar eru mun kraftmeiri, bera stærri strauma og ná tugum kílómetra til hliðar – hinir alræmdu „eldingar úr heiðskíru lofti“. Sjaldgæfar en banvænar, þær eru andstæða veðurfarsviðsins: jákvæði toppur skýsins losar beint til jarðar.
Hvert þrumuveður virkar þannig sem rafall, dælir jákvæðri hleðslu upp til jónahvolfsins og neikvæðri hleðslu niður til jarðar. Sameiginlega halda um 2.000 virkir stormar jarðar uppi alþjóðlegu 250 kV potensíali og fylla upp það sem annars myndi leka burt. Þrumuveður eru ekki bara veðuratburðir; þau eru orkuver rafmagnsrásar plánetunnar.
Í aldaraðir var talið að eldingar væru takmarkaðar við undir skýjabotninn. En rásin virkar í báðar áttir. Stormar losa einnig upp á við, til jónahvolfsins, stundum alla leið út í nálægan geim.
Á 1990-árunum uppgötvuðu gervitungl sem leituðu að geimgeislaburstum eitthvað óvænt: millisekúndu-glóðir af gammageislum frá jörðinni sjálfri. Þessar jarðnesku gammageislaglóðir (TGFs) verða til þegar rafmagnssvið efst í stormum hraða rafeindum upp í nærri ljóshraða, sem rekast á loftsameindir og gefa frá sér gammageisla. Þrumuveður verður að náttúrulegum agnahröðunartæki, sem keppir við manngerðar vélar.
Löngu áður en gervitungl staðfestu þetta, hvísluðu háflughafar um undarleg ljós: rauðar glóðir, bláir keilur, haló-líkir hringir yfir stormum. U-2 flugmenn á 1950-árunum gætu hafa verið meðal þeirra fyrstu til að sjá þau, en skýrslur þeirra voru hafnað sem sjónvillur. Það var ekki fyrr en seint á 20. öld sem myndavélar náðu þeim:
Samtímis eru þetta tímabundnir ljósatburðir (TLEs) – falin elding himinsins, sem tengir storma við jónahvolfið. Þeir sanna að þrumuveður eru ekki staðbundin heldur alþjóðlegir aðilar, sprauta orku og ögnum upp á við, trufla útbreiðslu útvarpsbylgna, brautir gervitungla, jafnvel geislunarbelti.
Við byrjuðum með geimveður sem eitthvað sem er lagt á jörðina. Nú sjáum við hið gagnstæða: jörðin sjálf framleiðir geimveður, í gegnum verk storma sinna.
Nú er útlínan skýr: jörðin, jónahvolfið og geimurinn eru bundin í alþjóðlega rafmagnsrás. Samt fellur þetta efni óþægilega á milli fræðigreina.
Niðurstaðan er að rafmagn í andrúmslofti seytlar í gegnum sprungurnar. Venjulegar veðurfréttir gefa hitastig, þrýsting, vind og raka – en ekki stöðuga andrúmsloftssviðið, þótt hægt sé að mæla það með einföldum sviðsmæli.
Við höfum þegar líkön. Eldinganet (Blitzortung, ALDIS, EUCLID) sýna stormvirkni í rauntíma með því að rekja sferics, útvarpspulsa eldinga. Af hverju ekki að byggja slíkt fyrir stöðug rafmagnssvið?
Slíkt net gæti:
Margar stjörnustöðvar mæla nú þegar rafmagn í andrúmslofti, en gögnin eru dreifð og falin. Samhæft alþjóðlegt átak sem kallast GLOCAEM (Global Coordination of Atmospheric Electricity Measurements) var sett á laggirnar fyrir fáum árum og tengir saman um 20–30 stöðvar frá Evrópu, Asíu, Afríku og Ameríku. Sumar af þessum stöðvum – eins og Conrad-stjörnustöðin í Austurríki, Lomnický Štít á Slóvakíu og Eskdalemuir í Skotlandi – hafa langa sögu um stöðuga vöktun á möguleikaþrepi.
En ólíkt eldinganetum eins og Blitzortung eru þessir gagnastraumar að mestu í höndum vísindamanna. Rauntímagrafík er til staðar, en þau eru ekki víða kynnt né hönnuð fyrir almenna notkun. Fyrir flest fólk – jafnvel eðlisfræðinemendur – er andrúmsloftssviðið enn ósýnilegt.
Þetta er bilið: ekki mælingin, heldur aðgengið. Það sem þarf er þýðing vísindaarkífa í opinbera mælaborð og opin API, á sama hátt og sferics-net gerðu stormvirkni að einhverju sem allir geta fylgst með í beinni. Borgaravísindalag ofan á núverandi rannsóknarnet gæti lokað lykkjunni – umbreytt falnum stöðvagrafíkum í lifandi „fimmta veðurfarið“.
Við lifum inni í rafmagnsrás. Jörðin er neikvæða platan, jónahvolfið er jákvætt og þrumuveður eru rafalarnir. Eldingar eru aðeins augljósasta einkennið. Sprítar, þotur, gammageislar og veðurfarsstraumar eru afgangurinn.
Að koma þessari falnu vídd veðursins í almenningssýn – með því að opna gögn og byggja net – myndi ljúka skilningi okkar á himninum. Það myndi gefa okkur betri spátæki, nýjar innsýnir í loftslag og heilsu og endurheimta tilfinningu fyrir undrun: vitneskjan um að heimurinn sem við göngum á snýst ekki bara í geimnum heldur glóir, suðar og neistar inni í plánetu-stærðargráðu rafmagnsvél.