Ö

Naturliga bakgrundsstrålningen och naturliga elektriska och magnetiska fält

Blixt mellan moln
Tillsammans med jordens magnetfält är åskvädren helt avgörande för den naturliga elektromagnetiska miljön på jorden.
Bild: Aka. Wikimedia commons CC BY-SA 2.5

Bakgrundsstrålningen brukar förknippas med joniserande strålning, i dagligt tal radioaktiv strålning som kommer från radioaktiva material. Men radiovågor som används för radio, teve och annan trådlös kommunikation är i fysisk mening också strålning, bara med väldigt mycket längre avstånd mellan vågtopparna. Hur såg den naturliga elektromagnetiska miljön ut på jorden innan människan upptäckte elektriciteten och började använda sig av den?

Atmosfärens elektriska fält

Mellan jorden och de övre delarna av atmosfären finns en spänning på 400 000 volt som skapar ett statiskt elektriskt fält med en styrka på ungefär 100 volt per meter (V/m) vid jordytan.1 Mellan huvudet och fötterna finns det alltså en spänning i luften på nära 200 volt, nästan som i ett vanligt vägguttag. Att spänningen finns där beror på att luftpraktiskt taget inte leder ström alls och det gör också att man inte får någon elektrisk stöt.

Elektriska potentialen relativt jordytan
Spänningen jämförd med jordytan på 1, 2 och 3 meters höjd.
Spänningen relativt jordytan med människa
Allt som leder ström bättre än luft och står på marken, som människor, träd och hus, flyttar upp jordytans noll volt och förskjuter spänningsnivåerna uppåt. Går man in i en skog minskar det elektriska fältet när "jordytan" går i höjd med trädtopparna.

Atmosfärens elektriska fältstyrka på 100 volt per meter är ett genomsnitt uppmätt vid havsytan. Fältstyrkan varierar under dygnet och visar stora variationer mellan olika platser, men den finns alltid där, så något måste fördela den positiva laddningen jämnt över hela övre delen av atmosfären.

Jonosfären

Atmosfärens statiska elektriska fält skulle inte existera utan jonosfären. Genom kosmisk strålning skapas joner och fria elektroner högre upp i atmosfären. Ju fler desto högre upp man kommer och desto bättre blir luftens ledningsförmåga. På ungefär 5 mils höjd skapas tillräckligt mycket joner och fria elektroner för att luften ska få en ledningsförmåga som räcker för att fördela ström och få en jämn spänning på 400 000 volt i förhållande till marken runt hela jorden.2

Att det finns en spänning och att luften ändå leder en gnutta ström även vid markytan betyder att det borde flyta lite ström genom atmosfären. Och det gör det. Men det är 10 miljondelar av en miljondels ampere per kvadratmeter3 (10 pA/m2) så det krävs ström från över 3 miljarder kvadratmeter markyta för att hålla en lampa på 7 watt lysande. Ström går alltid i slutna kretsar så den ström som kommer ner måste ha kommit upp någonstans, annars skulle den ta slut. Strömmen kommer från åskvädren.

Atmosfärens spänning och ström vid vackert väder

Det är endast på den höga höjden som atmosfären leder ström relativt bra. Ju längre ner i atmosfären man kommer desto färre joner och fria elektroner finns det och då minskar ledningsförmågan så det är bara en ytterst svag ström som når marken. Dessutom bara vid vackert väder med blå himmel.

Åskväder

Spänningskällan till atmosfärens elektriska fält är åskväder. 9 blixtar av 10 som träffar markytan lämnar negativa laddningar till jordklotet som blir negativt laddat.4 Atmosfärens högre lager blir då positivt laddade i förhållande till jorden.

Åskmoln
Åskmoln. De övre delarna är positivt laddade och de nedre negativt med ett mindre positivt område. De starkaste laddningarna finns i molnets mellersta delar. Regnet kan ha en negativ eller positiv laddning beroende på vilken del av molnet det kommer ifrån.7

Under dygnet varierar strömmen som flyter ner till jordytan från jonosfären cirka 15 procent upp och ner från medelvärdet. Och den är alltid högst när klockan är mellan sex och sju på kvällen i London – normaltid, inte sommartid.5 Vid den tiden har de afrikanska åskvädren haft hela eftermiddagen på sig att pumpa upp spänningen mellan jorden och de övre delarna av atmosfären.6

Åskväder förekommer mest över land vilket gör att andra fenomen som är beroende av dem varierar under dygnet. De ökar när åskvädren på eftermiddagarna lokal tid är mest intensiva över Sydostasien, Afrika och Mellanamerika. Över Stilla havet, som nästan täcker halva jordklotet, åskar det inte så mycket och då uppstår ett minimum när den delen av jorden är vänd mot solen.8 Det finns också en årstidsvariation beroende på om det är sommar eller vinter på norra respektive södra halvklotet.

Ett åskmoln blir aldrig 5 mil högt och når inte upp till det elektriskt ledande lagret i atmosfären som fördelar spänningen över jordytan. Tropiska åskmoln kan bara bli över 1,5 mil höga9 och uppenbarligen räcker det.

Blixtfrekvens över jorden
Antal blixtar per kvadratkilometer och år. Från en blixt i mörklila områden till över 100 i den ljusaste fläcken i Afrika.
Karta: NASA earth observatory.

Schumannresonansen

Runt jorden pågår det ständigt ungefär 2000 åskväder som skapar cirka 100 blixtar varje sekund. Blixtarna alstrar elektriska och magnetiska fält som är källan till schumannresonansen.10 Resonansen har fått sitt namn efter den som förutsåg dess existens, fysikern Winfried Otto Schumann.

Schumannresonansen
Elektromagnetiska vågorna med den längsta våglängden har lättast att gå runt jorden mellan jordytan och jonosfären.
Foto: NASA

Den elektriskt ledande jonosfären och jordytan fungerar som en ekokammare som stänger in elektriska och magnetiska vågor som skapas av blixtarna i åskvädren. Vågorna som en blixt sänder ut i alla riktningar går runt jorden och kommer tillbaka från andra hållet efter 1/8 sekund. Åtta varv hinns med på ungefär en sekund och så uppstår schumannresonansens grundfrekvens på 8 hertz. De uppmätta fälten vid 8 hertz är högst 0,001 volt per meter (V/m) för det elektriska fältet och 0,0000005 mikrotesla (µT) för det magnetiska.11

Liksom atmosfärens statiska elektriska fält ökar under den tid på dygnet när antalet åskväder är störst ökar också schumannresonansen.

En blixt fungerar som en radiosändare som sänder på alla frekvenser men främst under 100 000 Hertz (Hz) med ett maximum omkring 10 000 hertz. Men elektromagnetiska vågor på de högre frekvenserna dämpas av atmosfären så att de bara kan mätas inom hundratals mil från blixten medan vågor under 100 hertz kan färdas flera varv runt jorden.12

En vågrörelse som klingar av åt höger
En schematisk bild av schumannresonansen med en grundfrekvens vid 8 hertz och övertoner. Verkligheten är inte så här välordnad med en "ton" som finns hela tiden.

Bruset från jordens alla åskväder skapar en bakgrund till sporadiska och extremt kortvariga toppar, tio gånger starkare än bruset. För att hitta Schumannresonansens resonansfrekvens och övertoner i bruset krävs att de elektromagnetiska vågorna "spelas in" under minst 5 och helst 10 minuter och sedan måste "inspelningen" datorbearbetas. Först därefter visar sig grundtonen vid 8 hertz och övertonerna som blir allt svagare och upphör vid 50 hertz.13

Afrika med blixtar symboliserande åskväder över Centralafrika
Många åskväder pågår samtidigt och elektriska och magnetiska pulser från dem kommer att träffa en bestämd plats på jordklotet vid olika tidpunkter.
Övre diagrammet visar en linje som ser ut som taggtråd. Nedre diagrammet visar några vågor som är högre än andra.
Diagram 1. Övre diagrammet visar 30 sekunders rådata från mätutrustningen. Undre diagrammet visar ett utsnitt på 35 hundradels sekund.14 Det är ur "inspelningar" av magnetfält som dessa som schumannresonansen kan vaskas fram.

Jordens magnetfält

Kompassen ställer in sig efter jordens magnetfält och den röda änden på pilen pekar mot norr – om den inte blir störd vill säga. Järn påverkar de magnetiska kraftlinjerna och kan få kompassen att peka fel. I Kiruna ligger Institutet för rymdfysik som kontinuerligt mäter jordens magnetfält och där lutar de neråt mot den järnrika malmen.

En kompass

Jordens magnetfält

Styrka µT Frekvens Hz
Normalt 53 0
Variation förmiddag 0,05 nära 0
Variation midnatt15 0,125 nära 0
Solstorma sällsynt16 0,1–1 0,3
Pulseringb 0,00005 3,5

a Solstormarna ger ingen regelbunden frekvens utan den snabbaste förändringen, som kan vara en enstaka händelse, sker med en hastighet som motsvarar regelbundna förändringar med den angivna frekvensen.
b Se diagram 2 nedan.

Svajar och pulserar

Jordens magnetfält svajar men så lite att det ändå betraktas som ett statiskt fält som inte ändrar styrka eller riktning. Den förändring av styrka som magnetfälten från elnätet gör 100 gånger per sekund tar en timme för jordens magnetfält i nordlig riktning.17 Tidsperspektiven är alltså helt olika för en förändring på 0,08 mikrotesla (µT) som är en vanlig styrka på varierande magnetfält från elnätet i bostäder. Däremot pulserar jordens magnetfält mycket snabbare i ostlig riktning med en oregelbunden frekvens på upp till fyra gånger per sekund, men med en variation på bara 0,00005 µT (Diagram 3).18 Pulseringen beror på att solvinden gör de delar av magnetfältet som går långt ut i rymden instabila.19 Solvinden består av elektroner och delar av atomer som solen kastar ut med en hastighet av upp till 2 520 000 km/h.

Diagram med tre horisontella kurvor som varierar lite uppåt och neråt
Diagram 2. Magnetfältets variationer under 24 timmar. Diagramförklaring Svart fyrkant mot norr  Diagramförklaring Blå fyrkant mot öster  Diagramförklaring Röd fyrkant vertikalt. Magnetfältets styrka i Kiruna är ungefär 53 µT och mellan varje horisontellt streck i diagrammet skiljer det 0,05 µT. Variationerna är alltså en tusendel av 53 µT när solen är lugn som den är för det mesta. Mellan svarta kurvans högsta och lägsta värde i diagrammet skiljer det 0,1 µT. Streckade linjer i kurvans färg visar magnetfältet vid lugn sol.
Blå rektangel med ett ljusare fält i mitten som innehåller ljusblå och ljusgröna punkter.
Diagram 3. Magnetfältets pulsering under drygt nio timmar, främst i ostlig riktning (y-komponent). Frekvensen visas på vertikala skalan till vänster och tiden som timmar 0-24 på den horisontella. Färgen på punkterna anger styrkan på pulserna. Mörkblått för 0,000001 till 0,000007 µT, grönt för c:a 0,000050 µT. I botten på diagrammet visas pulseringar under 1 Hz. I det ljusare bandet i övre delen är pulseringar omkring 3,5 Hz.

Varierar under dygnet

Solvinden påverkar jordens magnetfält. På solsidan pressas magnetfältet ihop medan det dras ut på skuggsidan. Uppe i rymden ger det en tydlig skillnad mellan dag och natt (Diagram 4). På jorden märker vi det genom att norrsken är vanligare på natten och variationerna i jordens magnetfält blir större.20

Solvinden deformerar magnetfältet
Solvinden deformerar jordens magnetfält som tillsammans med jordens rotation ger en tydlig variation under dygnet. "Insekten" till höger är jorden och linjerna magnetfältets kraftlinjer.
Bild NASA Best of SOHO
Dygnsvariationer
Diagram 4. Variationer i jordens magnetfält mätt av en satellit 3579 mil ovanför ekvatorn. På det avståndet tar det ett dygn för satelliten att fullborda ett varv runt jorden, så sett från jorden finns den alltid på samma plats på himlen och mäter dag som natt. Diagrammet visar variationerna under sju dygn. Skalan till vänster anger magnetfältets styrka i nanotesla (nT). Dividera med 1000 för att få värdena i mikrotesla (µT).
Efter diagram NOAA21

Ojämnt fördelat

Magnetfältet är inte lika starkt överallt på jorden. Svagast är det i Paraguay med 23 µT och starkast med 67 µT vid magnetiska sydpolen söder om Australien utanför Antarktis.22 Med jordens magnetiska poler menas vanligen de platser där magnetfälten är lodrätt riktade mot jorden.

Magnetfältets variationer över jordytan
Ju mörkare rött desto starkare magnetfält.
Karta USGS

Fler jämförelser mellan den konstgjorda och naturliga bakgrundsstrålningen finns på sidan  Jämförelser

Fotnoter
  1. Colin Price. ELF Electromagnetic Waves from Lightning: The Schumann Resonances,  Atmosphere 2016; 7(9); 116, sid 4.
  2. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere, avsnitt 9-2.
  3. The Feynman Lectures, avsnitt 9-2.
  4. The Feynman Lectures, avsnitt 9-3.
  5. The Feynman Lectures, avsnitt 9-3.
  6. The Feynman Lectures, avsnitt 9-5.
  7. The Feynman Lectures, figur 9-11.
  8. Colin Price, sid 7.
  9. Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut, kunskapsbanken, åska.
  10. Bianchi, Meloni. Natural and man-made terrestrial electromagnetic noise: an outlook. Annals of Geophysics, vol. 50 n. 3 June 2007, sid 438.
  11. Colin Price, sid 4f.
  12. Colin Price, sid 2.
  13. Colin Price, sid 5.
  14. A. Salinas et. al. Schumann resonance data processing programs and four-year measurements from Sierra Nevada ELF station, Computers & Geosciences: Volume 165, August 2022, 105148. CC BY-NC-ND 4.0 Deed.
  15. Institutet för rymdfysik, IRF Kiruna. Kiruna Magnetic Disturbance Statistics.
  16. IARC. Non-Ionizing Radiation, Part 1: Static and Extremely Low-Frequency (ELF) Electric and Magnetic Fields. Sid 51.
  17. IRF Kiruna. Aktuellt diagram över variationerna i jordens magnetfält. Magnetfältet mäts i tre riktningar, x = nordlig (geografiska nordpolen), y = ostlig och z = vertikalt.
  18. IRF Kiruna. Aktuellt diagram över pulseringen.
  19. Bianchi, Meloni. Natural and man-made terrestrial electromagnetic noise: an outlook. Annals of Geophysics, vol. 50 n. 3 June 2007. Sid 436.
  20. IRF Kiruna. Variationerna är vanligen mindre mitt på dagen. Se fotnot 15.
  21. National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA, Space Weather Prediction Center. Arcjet som förekommer i diagrammen är satellitens drivsystem för bankorrektion som stör mätningarna.
  22. U.S. Geological Survey, USGS. The International Geomagnetic Reference Field, 2005. Plate 5 PDF.