Blitze triggern Kernreaktionen in der Atmosphäre

Schon vor knapp hundert Jahren schlug der schottische Physiker und Meteoro­loge Charles Wilson vor, Gewitter und beglei­tende Blitze könnten Kern­reak­tionen in der Atmo­sphäre ver­ur­sachen. Trotz des Nach­weises von Neutronen, Gamma­strahlung und energie­reicher Elek­tronen in den folgenden Jahr­zehnten fehlten bisher jedoch ein­deutige Hin­weise auf diese Prozesse. Doch jetzt gelang es einer Forscher­gruppe in Japan, den Ablauf der von Blitzen ver­ur­sachten Kern­reak­tionen schlüssig nach­zu­weisen.

Teruaki Enoto von der Universität Kyoto und seine Kollegen von der Univer­sität Tokyo unter­suchten während eines Winter­sturms Anfang Februar dieses Jahres die Gamma­strahlung aus tiefen Gewitter­wolken. Mit vier Szinti­llator-Detek­toren zeich­neten sie im Rahmen des Projekts „Gamma-ray Obser­vation of Winter Thunder­clouds“ die energie­reiche Strah­lung auf. Ein­deutig konnten sie nach einer atmo­sphä­rischen Ent­ladung zuerst einen inten­siven Gamma­strah­lungs­blitz von weniger als einer Milli­sekunde Dauer nach­weisen. Kurz darauf zeich­neten die Detek­toren Gamma­strahlung mit einer Energie von 511 Kilo­elek­tronen­volt auf, die für etwa eine Minute anhielt.

Diese Messungen korrelierten eindeutig mit den Blitzen. Ihre zeit­liche Abfolge ließ die Forscher auf einen photo­nukle­aren Prozess in der unteren Atmo­sphäre schließen. Dabei trafen nach dem Blitz Photonen mit Energien von mehr als zehn Mega­elek­tronen­volt auf Stick­stoff-14-Kerne und schlugen je ein Neutron heraus. Das ent­stan­dene Stick­stoff-13-Isotop zerfiel binnen weniger Minuten in Kohlen­stoff-13, sowie ein Neutrino und ein Positron je Atom­kern. Die Posi­tronen anni­hi­lierten schließ­lich mit Elek­tronen in der Atmo­sphäre, wodurch jeweils zwei Photonen mit einer Energie von 511 Kilo­elek­tronen­volt ent­standen.

Ein analoger photonuklearer Prozess ist ebenfalls mit dem Zerfall von Sauer­stoff-16-Kernen möglich. Weitere Experi­mente könnten in Zukunft die Pro­duk­tion anderer Isotope belegen. Da Blitze in der Atmo­sphäre das Isotop Kohlen­stoff-13 erzeugen, könnte diese Ent­deckung Aus­wir­kungen auf die Datie­rung archäo­lo­gischer Proben mit der C-14-Methode haben. Ein von Blitzen ver­ur­sachter Fusions­prozess, in dem Wasser­stoff­kerne in einem heißen Plasma zu Helium­kernen ver­schmelzen, lässt sich nun für die Pro­duk­tion von Neutronen während eines Gewitters aus­schließen.

Jan Oliver Löfken

RK