Var kommer blixten slå ner?

Runt om i världen uppstår blixtar cirka 100 gånger varje sekund varje dag. De flesta av dessa strejker berör ingen. Men blixten skadar cirka 240 000 människor och dödar 24 000 varje år, enligt en studie från 2003. 2012 dog 28 personer av blixtar i USA. Sammantaget betyder det att blixten i genomsnitt slår ner ungefär en av 700 000 personer där varje år. Även om blixten är farlig är den också en av naturens mest bländande skärmar. I århundraden har forskare försökt förstå vad som utlöser blixtar. Ännu viktigare är att de vill veta var – eller vem – blixten sannolikt kommer att träffa. Forskare har letat efter röda trådar i berättelserna om blixtens offer. De har spårat blixtar med hjälp av sensorer på marken och i rymden, inklusive en på den internationella rymdstationen. Och de har skapat blixtar i laboratoriet.

Men forskare kämpar fortfarande för att förstå exakt hur en gnista startar och hur man förutsäger var den kan ansluta till marken. Vissa forskare misstänker till och med att blixten skulle kunna användas som ett verktyg för att bättre förstå det globala klimatet – om de bara visste hur man använder det.

Värmer upp För tusentals år sedan förknippade människor blixtens gnistor med arga gudar. I fornnordisk mytologi kastade den hammarsvingande guden Thor blixtar mot sina fiender. I myterna om det antika Grekland kastade Zeus blixtar från toppen av berget Olympen. De tidiga hinduerna trodde att guden Indra kontrollerade blixten.

Men med tiden började människor associera blixtar mindre med övernaturliga krafter och mer med naturen.

Blixt kan flytta från moln till moln eller från ett moln till marken. Sean Waugh NOAA/NSSL Forskare vet nu att den synliga, ljusa bulten och dånande åskan bara är en liten del av en mycket större sekvens av naturliga händelser som utspelar sig i molnen. Det börjar när värmen från solen värmer jordens yta. Vattenånga avdunstar från sjöar, hav och växter. Den varma fuktiga luften är lättare än kallare torr luft, så den stiger och bildar gigantiska cumulonimbusmoln. Dessa moln föder ofta stormar. “Åskväder är som stora dammsugare som suger upp vattenånga”, säger Colin Price. Han är en atmosfärsforskare vid Tel Aviv University i Israel. “En del får ventileras ut från toppen av stormar,” säger han om vattenångan. Men det mesta i den övre atmosfären kommer från jordens yta.

Forskare misstänker att turbulens i ett moln – starka vertikala vindar – gör att molnets vattendroppar, snö, hagel och ispartiklar slår in i varandra. Dessa kollisioner kan bända partiklar som kallas elektroner från vattendroppar och is när de stiger till toppen av molnet. Elektroner är ansvariga för elektriciteten. När ett oladdat föremål förlorar en elektron lämnas det med en övergripande positiv laddning. Och när den får en elektron får den en negativ laddning.

Vattendroppar, is och hagel finns i en mängd olika storlekar. Stora sjunker till botten av molnet. Små iskristaller stiger till toppen. Dessa små iskristaller på toppen tenderar att bli positivt laddade. Samtidigt tenderar de stora hagel- och vattendropparna på molnets botten att bli negativt laddade. Som sådan liknar Price ett stormmoln med ett batteri som står på ända.

Dessa laddningar i molnen kan orsaka förändringar på marken. När den nedre delen av molnet blir negativt laddat blir föremål i luften och på marken nedan positivt laddade.

Den dagen tillbaka 1975 klättrade positiva laddningar genom vandrarens hår och ställde det på ända. (För att säkert se något som liknar detta i första hand, gnugga huvudet med en ballong för att överföra elektroner från håret till ballongen. Lyft sedan ballongen.) Vandrarnas hårresande upplevelse kanske såg rolig ut – men det var också en varning tecken på att förhållandena var rätta för ett blixtnedslag.

Ka-boom!

När de kom ner från Moro Rock såg vandrarna blixtens raseri på nära håll. För stänga.

Blixten följer en taggig väg för att ta sig från ett moln till marken. NOAA

“Hela min syn var inget annat än starkt vitt ljus”, säger McQuilken om strejken. “Margie, som var cirka 10 fot bakom mig, säger att hon såg tentakler eller belysningsband.” Bulten slog McQuilken till marken. Tiden, minns han, verkade sakta ner. “Hela upplevelsen inträffade på några millisekunder, men den där känslan av att sväva och röra mina fötter i luften verkade vara i fem eller tio sekunder.”

Blixten saknade Michael, Mary och Margie, men inte 12-årige Sean. McQuilken hittade sin bror på knä med rök som “strömmade från hans rygg”. Seans kläder och hud brändes svårt. Men han levde och skulle överleva. McQuilken bar ner sin bror från granitkupolen för att få honom hjälp. En annan vandrare i närheten hade inte lika tur. Blixten dödade honom.

Luft mellan marken och ett moln separerar vanligtvis deras laddningar. Luften fungerar som en isolator, vilket innebär att elektricitet – som blixtens jättegnista – inte kan färdas genom den. Men när tillräckligt med laddning samlas i molnet hittar den ett sätt att komma till marken och blixten slår ner. Denna elektriska urladdning glider från en plats till en annan för att jämna ut obalansen i laddningen mellan marken och toppen av molnet. Utsläppet kan röra sig från moln till moln, eller så kan det zappa i marken.

Det är inget mysterium.

Men det som får blixten att starta sin gnista är “en av de stora obesvarade frågorna inom blixtfysiken”, förklarar Phillip Bitzer. Han är en atmosfärisk forskare som studerar blixtnedslag vid University of Alabama i Huntsville.

Letar efter gnistan Forskare tror att blixtar gnistor på ett av två sätt. Enligt en idé förstorar det laddade hageln, regnet och isen inuti ett stormmoln det elektriska fältet i molnet. (Ett elektriskt fält är den region där laddningarna kan fungera.) Den extra förstärkningen ger laddningarna tillräckligt oomph för att tända blixtar. Den andra tanken är att blixten utlöses när kosmiska strålar, kraftfulla energiutbrott från rymden, levererar partiklar med tillräckligt med energi för att sätta igång ett anfall.

Phillip Bitzer, som studerar blixten vid University of Alabama i Huntsville, hjälpte till att utveckla denna sensor. Den sitter på toppen av en universitetsbyggnad och kan mäta det elektriska fältet för ett blixtnedslag. Mike Mercier/UAH För att bättre förstå hur blixten startar hjälpte Bitzer till att designa en ny sensor. Det ser ut som en stor, upp och nervänd salladsskål. Och det är en av flera utspridda i och runt Huntsville (inklusive ovanpå en universitetsbyggnad).

Tillsammans utgör dessa sensorer Huntsville Alabama Marx Meter Array, eller HAMMA. När en storm passerar och en blixt blinkar kan HAMMA avgöra var nedslaget inträffade. Den mäter också det elektriska fältet som produceras av strejken. Dess sensorer kan titta in i ett moln under den kritiska sekunden innan blixten utvecklas. Bitzer beskrev HAMMAs första framgångsrika test i Journal of Geophysical Research: Atmospheres den 25 april 2013.

HAMMA mäter även blixtens returslag. Detta är den andra – och mer energiska – delen av en strejk.

Blixten börjar med en ledare. Denna ström av negativ laddning lämnar molnet och söker efter en väg genom luften till marken. (I sällsynta fall börjar ledare på marken och rör sig uppåt.) Även om varje slag är annorlunda, kan en ledare färdas cirka 89 000 meter (290 000 fot) per sekund. Den ser ofta grenad ut. Den tenderar att producera svagt ljus som bara kan fångas av höghastighetskameror.

Ledarens väg kan leda elektricitet genom molnet. Returslaget, som kommer från marken, följer vägen som anlagts av ledaren som elektricitet på en tråd. Den rör sig i motsatt riktning. Och det är mer intensivt: returen producerar den bländande blixten som kan ses dag eller natt. Det är den del du med största sannolikhet kommer att lägga märke till. Jämfört med ledaren är returslaget en fartdemon. Den kan färdas 90 miljoner meter (295 miljoner fot) per sekund – eller mer. Genom att spåra detta returslag kan HAMMA hjälpa forskare att bättre spåra den totala energi som frigörs under en strejk. Sådan energidata, från HAMMA och andra nätverk, kan hjälpa forskare att avgöra hur blixtnedslag börjar.