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LOFAR
Wie sich Blitze entladen
Redaktion / Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie
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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.

Blitz

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.

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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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Links im WWW
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
LOFAR
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