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Wie sich Blitze entladen
Redaktion
/ Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie
astronews.com
17. Mai 2019
Mit dem Teleskopverbund LOFAR, der über in ganz Europa
verteilte Teleskopstationen verfügt, sollen eigentlich weit entfernte,
astronomische Objekte beobachtet und untersucht werden. Er liefert aber auch
Daten zu sehr viel nähergelegenen Phänomenen: So zeigten beispielsweise
Beobachtungen, was genau bei der Entladung von Blitzen während eines Gewitters
passiert.
Blitzeinschlag über dem LOFAR-Detektor in
den Niederlanden.
Bild: Danielle Futselaar, www.artsource.nl [Großansicht] |
Wenn in einer Gewitterwolke Eiskristalle gegeneinander prallen, laden sie
sich elektrisch auf. Winde können die Kristalle trennen, sodass ein Teil der
Wolke positiv, der andere negativ geladen ist. Wird das so entstehende
elektrische Spannungsfeld zu groß, kommt es zu einer heftigen Entladung – die
wir als Blitz und Donner wahrnehmen.
Die Entladung beginnt mit einem kleinen Volumen von Luft, in dem Elektronen
sich von den Luftmolekülen trennen. Diese ionisierte Luft, auch Plasma genannt,
ist elektrisch leitend. Das Plasma breitet sich als verzweigte Kanäle aus, bis
es auf die Erde trifft und sich die elektrische Spannung der Wolken als Blitz
entlädt. Über die genauen Prozesse in diesen Kanälen bis hin zur jüngsten
Entdeckung der "Blitznadeln", geben hochauflösende, aus Radiosignalen von
Blitzen abgeleitete Daten Aufschluss.
Gemessen haben die Forscherinnen und Forscher sie mit dem niederländischen
Radioteleskop LOFAR (steht für Low Frequency Array), an dem auch das
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beteiligt ist. Die aktuellen
Beobachtungen des LOFAR-Forscherteams zeigen, dass positiv geladene Plasmakanäle
sich bei der Entladung anders verhalten als negativ geladene. Der Grund hierfür
sind offenbar nadelförmige Strukturen, die nun erstmals sichtbar werden: Sie
führen senkrecht von den positiv geladenen Kanälen weg, sind rund 100 Meter lang
und haben einen Durchmesser von weniger als fünf Metern.
Die Wissenschaftler vermuten, dass Teile der Ladung eines positiven
Plasmakanals nicht direkt in den Boden abfließen, sondern über die Nadeln in die
Gewitterwolke zurückgehen und von dort erst bei späteren Entladungen abfließen.
Dies würde erstmals erklären, warum ein Blitz sich nicht wie lange Zeit
angenommen mit einem Mal entlädt, sondern binnen Sekunden mehrfach einschlägt.
"Dank der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung von LOFAR können wir die
Ausbildung von Blitzen in einer völlig neuen Größenordnung bis hinein in die
primären Prozesse untersuchen", erklärt Dr. Brian Hare von der Universität
Groningen.
LOFAR besteht aus tausenden Antennen, die über Europa verteilt sind – ein
Array, das in erster Linie für astronomische Beobachtungen entwickelt wurde, mit
dem mittlerweile aber auch die kosmische Strahlung gemessen wird. Hierbei werden
die in der Atmosphäre von den kosmischen Teilchen ausgelösten Signale an den
einzelnen Antennen in Puffern zwischengespeichert und anschließend für
verschiedene Analysen ausgelesen. "Diese am KIT vorangetriebene Technologie
kommt nun auch bei der Messung und Speicherung von Radiosignalen zum Einsatz,
die von Blitzen ausgehen“, erläutert Dr. Tim Huege vom Institut für Kernphysik
des KIT und Mitglied des LOFAR Cosmic Ray Key Science Projects.
Bei den Blitzmessungen erlaubt LOFAR eine räumliche Genauigkeit von bis zu
einem Meter und die Erfassung eines Signals pro Mikrosekunde. So entstehen
hochauflösende 3D-Filme, die neue Erkenntnisse über die Entladung von Blitzen
ermöglichen. Mit seinen Forschungen hat das KIT maßgeblich dazu beigetragen,
dass Blitzbeobachtungen mit einer solchen Präzision möglich sind.
Den Grundstein für die Messung kosmischer Teilchen und somit auch für eine
detailliertere Erforschung von Blitzen legten Experimente mit dem digitalen
Antennenfeld LOPES (LOfar PrototypE Station), die bis 2013 im Rahmen der
Forschungen auf dem Gelände des KIT als Teil des
KASCADE-Grande-Teilchendetektorfelds liefen.
Über die Ergebnisse berichtet das Team im vergangenen Monat in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
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