Na Ziemi występują różne zjawiska elektromagnetyczne. Od najdawniejszych czasów systemy biologiczne zostały wystawione na działanie pola  elektromagnetycznego emitowanego przez Ziemię (https://elektrofakty.pl/2023/08/03/wplyw-pola-geomagnetycznego-na-czlowieka-i-srodowisko/), a także pola elektromagnetycznego

związanym  z wyładowaniami atmosferycznymi i aktywnością słoneczną. Zakłada się, że ewolucja organizmów jest poddawana  wpływom wspomnianych zjawisk elektromagnetycznych. Pytanie, jaki związek  istnieje pomiędzy zjawiskami elektromagnetycznymi na Ziemi a ewolucją życia jest przedmiotem dużego zainteresowania. Równie ciekawym pytaniem jest  o sposób w jaki  naturalne zjawiska elektromagnetyczne  użyte są do aktywnego podtrzymywania życia. W szczególności związek pomiędzy polem elektromagnetycznym niskiej częstotliwości powstałym w wyniku wyładowań atmosferycznych, które stale występują w skali globalnej (Rys. 1). Istotnym elementem elektromagnetyzmu atmosferycznego jest aktywność magnetyczna słońca. W tym przypadku najważniejszym obiektem oddziaływania są instalacje i urządzenia elektryczne.    

Wyładowania atmosferyczne

Wyładowanie atmosferyczne wynika z potencjałow , które pojawiają się na chmurach burzowych . Wartość .natężenie  pola  elektrycznego,  potrzebnego  do  przebicia

powietrza wynosi 30  kV/cm. Jeśli średnia wysokość  chmury  nad  ziemią   wynosi 2 km, to potencjał chmury powinien wynieść  2000 m x 30 kV/m = 6 GV. Z pomiarów elektrycznych chmur burzowych wynika, że średnia wartość  potencjał chmur  wynosi  ok. 500 MV   

Okazuje  się,  że  mechanizm  przebicia  powietrza  w  przypadku  wyładowań  atmosferycznych  jest  znacznie  bardziej  złożony  niż  w  przypadku  przebicia  pomiędzy dwiema blisko usytuowanymi elektrodami, którego dotyczyło pokazane wyżej  kryterium. W fizyce pioruna zasadniczą rolę odgrywa wyładowanie wstępne (lider).

Rys. 1 Przykład wyładowania atmosferycznego w mieście

Wyładowania wstępne – zaczyna rozwijać się, gdy natężenie pola lokalnego pod naładowaną chmurą przekroczy 10 kV/cm.

Parametry tego wyładowania są następujące:

1. szybkość przemieszczania się 100 – 2000 km/s,
2. skokowy ruch 10 do 100 m (średnio 50 m) w czasie ok 50 ms,
3. prąd kilkaset A (100 ¸ 1000 A),
4. kanał słabo widoczny, bardzo wąski o średnicy do 1 cm,
5. gdy jest 50 m od ziemi, z ziemi wyrasta wyładowanie wtórne (główne).

Po wyładowaniu wstępnym zaczyna rozwijać się wyładowanie główne; niżej podane są jego właściwości:

1. ruch  od  ziemi  w  kierunku chmury
2. prędkość 10 000 -100 000 km/s,
3. czas trwania 60 – 100 ms,
4. rozwija się w kanale wyładowania wstępnego,
5. prąd do 500 000 A (średnio 20 000 A),
6. silnie świecący kanał tego wyładowania
7. stromość fali prądowej ok. 5000 A/ms,
8. napięcie 10 ¸ 100 MV
9. moc chwilowa ~700×10¹²  W
10. energia ~ 4 ¸ 200 kWh,
11. średnica kilka do 10 cm (~5 cm),
12. każdy  piorun  to  piorun  wielokrotny,  przebiegający  w zjonizowanym  kanale  powietrza,  cały  jeden  cykl  może trwać  do  1,5  ms  (w  tym  czasie  ma  miejsce  wielokrotny przebieg),
13. 1,2/50  μs to tylko czas pierwszego wyładowania, pozostała są bardziej strome i krótsze (0,2/10  µs). 

Według  danych  meteorologicznych  na  świecie  występuje  jednocześnie kilka tysięcy burz, w czasie których powstaje ok. 100 wyładowań piorunowych na sekundę, w tym 10-20%  wyładowań doziemnych, a pozostałe te wyładowania międzychmurowe. W Polsce rejestruje się rocznie ok. 500 000–700 000 doziemnych wyładowań piorunowych. Są one przyczyną wielu szkód piorunowych, od bardzo poważnych – np. pożarów budynków, uszkodzeń urządzeń elektroenergetycznych, telekomunikacyjnych, systemów informatycznych, w tym także obiektów infrastruktury kolejowej, po szkody mniej kosztowne, takie jak uszkodzenia sprzętu audio, video, komputerów, użytkowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych. W każdym roku od piorunów w Polsce ginie od kilku do kilkunastu osób, a trzykrotnie więcej przeżywa takie porażenia (z bardziej lub mniej rozległymi obrażeniami). Wyładowania doziemne realizują się poprzez przepływ silnego prądu elektrycznego, który generuje silne pole elektromagnetyczne. Czas występowania wyładowania atmosferycznego jest na tyle krótki, że emitowane pole elektromagnetyczne nie oddziałuje na ludzi i organizmy żywe w aspekcie ich zagrożenia.   Stosunkowo niedawno jednak postawiona została hipoteza, która odziaływanie pola magnetycznego kanału piorunowego bierze pod uwagę, jako czynnik wpływający na umysł ludzki. Z oddziaływaniem tym związane jest występowanie (realne bądź nie) pioruna kulistego.

Piorun kulisty (Ball Lightning) budzi zainteresowanie od wielu lat, co widoczne jest w rozlicznych źródłach. Rejestrowany jest w różnych  jest w różnych miejscach na całym świecie, ale wszystkie te nagrania nie mają mocy dowodowej, są bowiem niepowtarzalne. Każdą sytuację, w której zaobserwowano piorun kulisty, opisano osobno, dlatego można ją potraktować jako studium przypadku. Pioruny kuliste, o których donoszą różne źródła, również są różne. Co do kształtu są to czyste kule, pręty, owale, kule i bardziej poetycko przypominają krople łez. Jeśli chodzi o wymiary, to też jest duża rozbieżność, bo średnica np. piłki wynosi od 10 cm do 40 cm, a w raportach pojawia się średnica nawet 1 m. Czas trwania waha się od 10 sekund do jednej minuty. Kolor oświetlenia może być czerwony, czerwono-żółty, żółty, biały, zielony i fioletowy. Piorun kulisty może poruszać się z prędkością 1-2 m/s wraz z wiatrem, czasami jednak pod wiatr. Zjawisko to jest naprawdę bardzo subiektywne i dlatego ma wiele wyjaśnień (rys. 2).

Rys.2 XIX – wieczny obraz pioruna kulistego 

I właśnie jednym z takich wyjaśnień jest ciekawa hipoteza, wysunięta przez austriackich fizyków Josefa Peera i Alexandra Kendla z Uniwersytetu w Innsbrucku. Zwrócili oni uwagę na powtarzalność wyładowania w krótkim czasie z częstotliwości kilkudziesięciu na sekundę, czyli stworzenia takiego pola ekspozycji dla człowieka jaka jest w procesie TMS (Trancranial Magnetic Stimulation – przezczaszkowa stymulacja magnetyczna). Technika TMS została opisana na blogu elektrofakty.pl (https://elektrofakty.pl/2018/08/17/medycyna-elektromagnetyczna-przezczaszkowa-stymulacja-magnetyczna/). A przezczaszkowa stymulacja magnetyczna odpowiada eksperymentom prowadzonym w XIX wieku przez J. J. d’Arsonvala i S. P. Thompsona (Rys. 3), które doprowadziły do stworzenia teorii magnetofosfenów.  

Rys. 3 Silvanus P. Thompson podczas eksperymentu

Zjawisko magnetofosfenów polega na wizualnym efekcie, pojawiające się na siatkówce oka, w czasie ekspozycji głowy badanego na pole magnetyczne niskiej częstotliwości o natężeniu kilkudziesięciu militesli. Wspomniani wyżej badacze austriaccy w artykule „Przezczaszkowa stymulacja fosfenów przez długie piorunowe impulsy elektromagnetyczne”, opublikowanym w Physics Letters A 374 (29) w 2010 roku łączą wyżej wymienione zjawiska fizjologiczne (magnetofosfeny) i fizyczne (pole magnetyczne emitowane przez prąd piorunowy) i stawiają hipotezę, że piorun kulisty jest wynikiem powstawania na siatkówce oka efektów  fosfenowych (rozbłyski), co może być odbierane jako efekt świecącego obiektu. A zatem piorun kulisty w powyższej koncepcji jest powidokiem. 

Słoneczne burze magnetyczne

Burze magnetyczne to niezwykłe i potężne zjawiska, które wprowadzają naszą planetę w stan wyjątkowego zagrożenia. Z jednej strony mogą być one odpowiedzialne za spektakularne zorze polarne na niebie, z drugiej zaś za poważne zakłócenia w naszej infrastrukturze technologicznej. W ciągu ostatnich kilku dekad nasza zależność od technologii wzrosła, co sprawia, że burze magnetyczne stały się jeszcze bardziej istotne, ponieważ wprowadzają nas w ryzyko poważnych awarii i zakłóceń (wg https://radary.info/burza-magnetyczna/).

Badania zjawisk fizycznych jakie zachodzą pomiędzy Słońcem, a Ziemią mają dziś niebagatelne znaczenie. Monitorowanie i analiza aktywności Słońca oraz związane z tym możliwości prognozowania są niezwykle istotne dla radiokomunikacji, pomagają również zrozumieć istotę przesyłu energii ze Słońca ku ziemskiej atmosferze.

Zjawisko występowania plam na Słońcu koreluje z pojawianiem się zórz i gwałtownych wyładowań magnetycznych oraz wahaniami koncentracji ozonu w powłoce ziemskiej. Istnieje przeciwstawna zależność pomiędzy przewodnictwem prądów strumieniowych w atmosferze ziemskiej, a cyklem aktywności plam słonecznych. Właściwości zjonizowanej warstwy w górnych partiach atmosfery są mocno narażone  na aktywność Słońca, a konkretnie na występowanie  plam na Słońcu. Właśnie rola Słońca i jego oddziaływania na pogodę i klimat na Ziemi stają się często przedmiotem zainteresowania zarówno z popularno-naukowego punktu widzenia, jak i całkiem praktycznego. 

Istotnym elementem wynikającym z aktywności słonecznej jest powstawanie zakłóceń w polu magnetycznym Ziemi, co może skutkować poważnymi zakłóceniami systemów elektroenergetycznych. Dotyczy to przede wszystkim transformatorów energetycznych, ale też linii przesyłowych i aparatury zabezpieczającej. Kilkanaście lat temu właśnie takie zakłócenie spowodowały wielką awarię systemu elektroenergetycznego w Quebecu, w Kanadzie – w marcu 1989 roku miliony mieszkańców tej prowincji pozostawały w ciemnościach. Przyczyną tej awarii, jak i wielu innych już przebytych i tych, które dopiero nadchodzą, są tzw. prądy indukowane geomagnetycznie (ang. GIC – geomagnetically induced currents). W Szwecji, z kolei, wysoka wartość natężenia  indukowanych geomagnetycznie prądów doprowadziła do awarii (30 października 2003) w systemie przesyłowym linii wysokiego napięcia.

Częstotliwość zmian pola geomagnetycznego jest niewielka (mniejsza od 0,1 Hz), a zatem i prąd, indukowany w przewodach energetycznych zgodnie z prawem Faradaya, ma taka niską częstotliwość. Prąd ten jest dla podstawowej harmonicznej prądu sieciowego prądem stałym. Jako taki, ujawnia się w przewodach zerowych i w połączeniach doziemiających, jak też w prądzie wzbudzenia transformatora. Konsekwencje tego wzrostu mogą być właśnie katastrofalne. Główne zagrożenia można przedstawić trojako:

• Większy prąd wzbudzający, a zatem znacznie większy stan nasycenia rdzeni, a zatem zwiększony pobór mocy biernej,
• Większe nasycenie harmonicznymi,
• zwiększony strumień rozproszenia, a w konsekwencji przegrzewanie elementów konstrukcyjnych transformatora – rys. 4 pokazuje .zniszczone na skutek przegrzania cewkę transformatora.

Rys. 4 Zdjęcie uszkodzonego uzwojenia transformatora

Wymienione wyżej skutki burz słonecznych,  oraz inne niewymienione, powodują, ze pilną staje się potrzeba monitorowania aktywności słonecznej i w porę zapobieganie jej skutkom. Istnieją programy, zarówno w obszarze Unii Europejskiej, jak i Stanów Zjednoczonych Ameryki.  Pytanie, jakie zadają sobie naukowcy i inżynierowie, formułowane jest następująco: czy jesteśmy przygotowani na 10-krotnie groźniejszą burzę geomagnetyczną, aniżeli ta, która spowodowała blackout w Kanadzie w 1989 roku? Przede wszystkim należy wydłużyć czas pomiędzy nadejściem informacji o zbliżającej się anomalii magnetycznej a czasem jej pojawienia się na powierzchni Ziemi – w chwili obecnej systemy ochronne oferują 30-45 minut na powzięcie działań. Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości amerykańskiej systemy satelitarne wydłużą ten czas do kilku dni.

Podobne działania podejmowane są na obszarze Unii Europejskiej. We wrześniu 2010 roku komisarz Maire Geoghegan-Quinn wypunktowała listę projektów realizowanych w krajach członkowskich, mających na celu przygotowanie systemów ochronnych. W Polsce nie raportowano dotychczas większych  zakłóceń związanych z  perturbacjami geomagnetycznymi, co nie oznacza, że w tej szerokości geograficznej one nie występują, czy nie wystąpią.  Właśnie kolejna, tym razem bardzo intensywna, aktywność słoneczna, mogąca wywołać perturbacje na całej kuli ziemskiej, przewidywane jest na rok 2024.     

Podsumowanie

Przedstawione działania elektromagnetyczne, związane z aktywnością zjawisk atmosferycznych  i słonecznych, budziły i wciąż budzą  duży niepokój (pioruny i efekty im towarzyszące,  czy burze słoneczne),  ale też stanowią przedmiot fascynacji i, jak w przypadku piorunów, czci należnej boskim atrybutom (patrz https://elektrofakty.pl/2022/05/10/metafizyczne-aspekty-elektromagnetyzmu/). Dzięki badaniom fizyków i pracy inżynierów problem lęku przed wyładowaniami atmosferycznym został przezwyciężony – stosowane obecnie instalacje odgromowe skutecznie zabezpieczają ludzi i obiekty przed piorunami. Trochę trudniej jest opanować niszczycielską działalność burz magnetycznych i ich destrukcyjnych działań w obszarze infrastruktury elektroenergetycznej, elektronicznej i informatycznej. Z dużym niepokojem świat oczekuje kolejnych katastrof technologicznych, należy mieć jednak nadzieję, że odpowiednie zabezpieczenia zostaną wkrótce opracowane.