Warum Gewitterwolken mehrfach blitzen

Mit der Radioteleskop-Anlage LOFAR hat ein internationales Forscherteam überraschende Strukturen von Gewitterblitzen in der Erdatmosphäre entdeckt. Diese „Nadeln“ können Gewitterwolken wieder aufladen, so dass sie sich nach kurzer Zeit ein zweites Mal entladen, wie das Team unter Leitung von Brian Hare und Olaf Scholten von der Universität Groningen in den Niederlanden zeigt. Das Low Frequency Array LOFAR besteht aus Tausenden von einfachen Antennen. Die Antennenfelder befinden sich in vielen europäischen Ländern, in Deutschland etwa am Forschungszentrum Jülich und in Norderstedt bei Hamburg. Diese Antennen sind über Glasfasernetze miteinander verbunden und an Hochleistungsrechner angeschlossen. Diese Verbindung erlaubt es, die Antennen zusammenzuschalten und als ein riesiges, virtuelles Teleskop zu nutzen.

LOFAR dient in erster Linie zu astronomischen Beobachtungen. Allerdings ist die Anlage sehr flexibel, so dass sie sich auch zur Messung von Blitzen eignet. „Wir messen Frequenzen von dreißig bis achtzig Megahertz, liegen also genau zwischen dem Kurzwellen- und dem Ultrakurzwellenbereich“, berichtet Hare. „Mit diesen weltweit einzigartigen Daten konnten wir zum ersten Mal Blitze so genau auflösen, dass einzelne physikalische Prozesse sichtbar wurden. Durch die Benutzung von Radiowellen konnten wir auch ins Innere der Gewitterwolken schauen, wo sich die spannenden Prozesse abspielen.“

Blitze entstehen, wenn innere Turbulenzen verschiedene Teile großer Kumulonimbus-Wolken gegeneinander elektrisch aufladen. Wird der Spannungsunterschied zwischen positiven und negativen Wolkenteilen zu groß, kommt es zu einer plötzlichen Entladung, die wir als Blitz sehen können. Dabei entsteht zunächst in einem kleinen, punktförmigen Bereich ein Plasma, das sich dann zu Kanälen ausbreiten kann. Die Spitze eines solchen Plasmakanals kann positiv oder negativ geladen sein. Es war bekannt, dass negative Kanäle besonders viele Radiowellen an der Spitze aussenden, wohingegen positive Kanäle dies an der Spitze kaum tun.

LOFAR erlaubt es, die Radiowellen, die ein Blitz aussendet, in ihrer ursprünglichen Form unverarbeitet zu speichern. Das wiederum ermöglicht es, neue bildgebende Verfahren zu entwickeln, die aus den Rohdaten ein dreidimensionales Bild eines Blitzes zeichnen können – zehnmal besser als bisherige Messungen, bis zu einem Meter genau und dank Radiowellen innerhalb einer Wolke, die vom Teleskop bis zu zwanzig Kilometer entfernt sein kann.

„Die Messungen stammen ursprünglich aus unserer Forschungsgruppe, die sich mit kosmischer Strahlung beschäftigt“, berichtet Anna Nelles vom DESY. „An der Schnittstelle zwischen Teilchenphysik und Astronomie war dieses Gebiet bereits recht exotisch für ein Radioteleskop. Dass wir nun das beste Blitz-Interferometer der Welt sind, kam für alle überraschend und zeigt, welche spannenden Möglichkeiten sich durch Grundlagenforschung mit herausragender Infrastruktur ergeben können.“

Die Beobachtungen enthüllen bisher unbekannte, nadelförmige Strukturen. Wenn Blitze sich ausbreiten, entladen sie die Gewitterwolken nur an einigen Stellen. Die jetzt entdeckten Nadeln erlauben, dass elektrische Ladungen gespeichert werden, und ermöglichen damit, dass eine Gewitterwolke an der gleichen Stelle mehrfach entladen werden kann. „Unsere Erkenntnisse stehen im Widerspruch zum bisherigen Verständnis von Blitzen, in dem Ladung entlang von Plasmakanälen von einer Wolke zur anderen fließt“, berichtet Scholten. „Nur durch die unübertroffen genauen Messungen mit LOFAR konnten wir zeigen, dass sich entlang der positiven Kanäle kleine Seitenkanäle bilden, die besonders helle Radiowellen aussenden, was bedeutet, dass dort Ladung fließt.“

„In diesen Nadeln sammelt sich Ladung, die dann anschließend nicht wie erwartet in die negativen Kanäle fließt, sondern über die Nadeln in die Wolke zurückgepumpt wird. Dadurch lädt sich die Wolke erneut auf“, ergänzt Hare. „Wir sehen eine immense Anzahl an Nadeln in unseren Beobachtungen. Das wiederum zeigt uns, wie sich Wolken nach einer Blitzentladung so schnell wieder aufladen können. Daher kommt es aus einer Wolke zu wiederholten Blitzeinschlägen auf dem Boden und Gewitter liefern nicht nur einen Blitz, sondern viele spektakuläre, aber auch gefährliche Entladungen.“

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Hare et al.: Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches, Nature 568, 360 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1086-6
• KVI-Center for Advanced Radiation Technology, Rijksuniversiteit Groningen, Niederlande
• LOFAR – Low Frequency Array