Föreställ dig att ligga på en grön kulle och se molnen gå förbi en vacker dag. Molnen du antagligen tänker på är samlade moln, de som liknar fluffiga bomullsbollar. De verkar oskyldiga nog. Men de kan växa till den mer formidabla cumulonimbus, stormmolnet. Dessa är monster som producerar åska och blixtar. De är kraftfulla, destruktiv och intensivt mystisk. De kan också bli mycket vanligare, vilket gör att man förstår deras arbete – och deras effekter på den mänskliga världen, inklusive hur vi bygger byggnader eller kraftledningar – viktigare än någonsin.

Många moln bildas när varm våt luft stiger till höga höjder där det blir kallare och kondenseras till vattendroppar. Åskväder inträffar när ett moln som bildas på detta sätt snabbt växer sig mycket stort, suger in mer och mer vattenånga. Det följer nästan alltid nederbörd och kraftiga byiga vindar. Och naturligtvis, blixt. Blixtar kan verka ganska sällsynta, men det har hänt ungefär 700 gånger – vi får ungefär 100 slag per sekund – någonstans runt om i världen under den tid det har tagit dig att läsa den här meningen.

Blixtar och åskväder verkar bli allt vanligare och det finns förslag på att detta kommer att fortsätta till följd av den globala uppvärmningen. Under 2014, Professor David Romps vid University of California, Berkeley, USA, utvecklat en atmosfärisk modell som förutspådde att blixten kommer att öka med 12 % för varje grad jorden värms upp. Det finns vissa indikationer på att detta redan kan hända. Forskare i Nederländerna har tittat på antalet bränder som startat av blixtar i skogarna i Alaska och Kanada och fann att dessa har ökat med 2 % till 4 % per år under de senaste 40 åren.

Vi förstår inte blixten så bra. Om, till exempel, du skulle filma ett blixtnedslag och spela upp det i superslow motion, du skulle märka att varningen fortsätter i steg. Den pausar en stund med intervaller innan den går vidare, säger Dr Alejandro Luque vid Institute of Astrophysics of Andalucía i Granada, Spanien. Men vi vet inte varför detta händer. Han säger att det finns några artiklar om detta men i princip inga accepterade teorier.

Sprites

Dr Luque tror att han kan ha lite insikter i problemet, dock, genom sitt arbete att studera ett ännu mer otroligt men bättre förstådd elektriskt fenomen - sprites.

Sprites är enorma, färgade strålar av ljus som uppstår mellan 50 och 90 kilometer över marken, mycket högre än åskväder. Deras existens tvivlades i flera år eftersom de är svåra att se från marken. Dr. Luque studerade dem främst genom att titta på bilder tagna av forskningsflygplan.

Även om de är mindre bekanta än blixten, sprites fysik är lättare att studera eftersom, på så hög höjd, det finns lite luft och därför sker elektriska urladdningar långsammare och vid kallare temperaturer. Blixten skapar temperaturer som är varmare än solens yta. Men Dr. Luque säger att sprite-utsläppskanaler har "i stort sett samma temperatur som den omgivande luften".

Kanalerna i sprites är gjorda av många små filament som kallas streamers. Och när streamers fortplantar sig, vissa fläckar inom dem lyser mer ljust och ihållande. I sprites, det starka glödet är tack vare elektronernas beteende, säger Dr Luque. I vissa delar av streamern, elektroner fäster till luftmolekyler och detta ökar styrkan på det elektriska fältet, producerar starkare ljus.

Steg

Denna förklaring är okontroversiell, säger Dr Luque, men vad vi inte vet är om – som han misstänker – en analog process skulle kunna förklara varför blixten själv fortsätter i steg. I samband med blixten, på lägre höjder, det finns fler luftmolekyler och vidhäftningen av elektroner till dem skulle kunna fungera på ett lite annorlunda sätt för att producera stegmönstret. Dr. Luque vill ta reda på om detta är rätt genom hans eLightning-projekt.

Han och hans elev Alejandro Malagón‐Romero satte upp denna hypotes 2019. Hans team arbetar nu med att bygga en beräkningsmodell av blixtnedslag för att testa om processen de förväntar sig kan förklara stegbeteendet.

Att förstå varför blixten fortsätter i steg kommer inte att hjälpa oss att göra det mindre farligt. Men Dr Luque säger att en bättre förståelse av fenomenet kan vara till hjälp inom alla möjliga andra områden. Till exempel, urladdningar kan bildas runt elektriska kraftledningar och därför måste de utformas för att minimera detta. Sådana utsläpp används också inom industrin, till exempel, vid sanering av industrigaser och även i kopiatorer. Ett bättre grepp om hur de fungerar kan leda till förbättrad design.

Blixtar kan tyckas vara det farligaste vapnet i arsenalen av ett åskväder, men dessa stormar skapar också ovanligt starka vindar.

Europas väder domineras av luftsystem som kallas extratropiska cykloner, spiralformade luftströmmar som för med sig vind och regn när de sveper över en region. Den genomsnittliga europeiska staden ser mellan 70 och 90 per år och forskarna har en god förståelse för hur de fungerar. Dessa stormar kan vara starka, även om de inte alltid är det.

Närhelst en byggnad byggs i Europa, formgivarna måste se till att den tål starka vindar och modellerna de använder för detta är baserade på extratropiska cykloner. Problemet med detta är att det inte tar hänsyn till vindar som tros vara sällsynta - som åskväder.

Åska

För att förstå varför detta är viktigt, du måste förstå skillnaden mellan cykloner och åskväder. Först, åskväder är mer intensiva än cykloner. Medan en cyklon kan vara i tre dagar kan ett åskväder vara över på 20 minuter. Så istället för en moderat, ihållande vind får du ett anfall av mycket kraftiga vindbyar. Andra, och ännu viktigare, är hur styrkan på vindarna varierar beroende på höjden. Cykloner blir starkare och starkare högre upp. Åska, å andra sidan, tenderar att producera vindar som börjar på cirka 100 m upp och blåser nedåt, med vinden som blir starkare när den sjunker. "En normal vind blåser parallellt med marken, men ett åskväder blåser nedåt. Det är helt annorlunda, sa professor Giovanni Solari vid universitetet i Genua i Italien.

Lägg ihop allt detta och resultatet, säger prof. Solari, är att vi överkonstruerar våra högsta byggnader, speciellt skyskrapor, och underkonstruktion av låga byggnader och strukturer såsom varvskranar. De översta 200 metrarna av en 300-meters skyskrapa får förmodligen inte ett slag av ett åskväder, men vi designar dem som om de skulle göra det eftersom våra modeller antar att vinden blir starkare högre upp. "Vi gör byggnader för säkra, ' han sa. Å andra sidan, små tranor kan välta av åskväder, som producerar sin starkaste vind på marknivå.

Prof. Solaris mål, genom THUNDERR-projektet, är att rätta till detta, vilket skulle kunna göra byggandet mer effektivt och billigare, genom att ta fram en modell av åskvind som kan användas för att designa byggnader. Det första steget var att ta ett syntetiskt åskväder skapat i en vindtunnel i världsklass vid University of Ontario i Kanada och göra en modell av detta. Det är nu gjort, säger prof. Solari, och hans modeller gör ett bra jobb med att fånga vad dessa syntetiska stormar gör. Men det var den lätta delen.

Nu går han vidare till att modellera riktiga åskväder, där det finns stor variation. Att hjälpa, Prof. Solari och hans team har konstruerat ett nätverk av 45 vädertorn fördelade runt Medelhavskusten utformade för att fånga data om vindar skapade av åskväder.

"Folk trodde att åskväder var sällsynta, sa Prof. Solari. "Det var för att vi inte kunde se dem. Nätverket har nu registrerat en databas med 250 rekord av åskväder. Planen är nu att justera den ursprungliga modellen för att ta hänsyn till alla dessa olika åskväder och vara verkligt representativ.'

Forskningen i denna artikel har finansierats av EU:s Europeiska forskningsråd. Om du gillade den här artikeln, överväg att dela det på sociala medier.