Het raadsel van de bliksem
Niemand weet precies hoe bliksem ontstaat. Het is weliswaar een elektrische ontlading in een onweerswolk, maar de spanning is eigenlijk niet hoog genoeg voor de allereerste vonk.
Deeltjesfysicus Olaf Scholten en promovenda Gia Trinh proberen het raadsel op te lossen met een nieuwe methode waarvoor ze de radioantennes van LOFAR gebruiken.
Ze gebruikten de antennes om hoogenergetische deeltjes te bestuderen. Sommige metingen waren echter ongewoon. Die bleken samen te vallen met onweersbuien.
Door te luisteren naar het radiosignaal van een onweersbui kun je de spanning meten zonder die te beïnvloeden, zoals gebeurt bij metingen door vliegtuigen in onweerswolken. Dat is revolutionair.
Scholten en Trinh hopen bewijs te leveren voor één van twee theorieën. Bliksem ontstaat doordat zich een ‘naald’ van ijskristallen vormt – waardoor de spanning hoger wordt. Of de ‘vonk’ wordt getriggerd door een hoogenergetisch deeltje.
Ook gaat Scholten LOFAR gebruiken voor een nieuw project: het bestuderen van de weg die bliksem aflegt aan de hemel. De radioantennes kunnen dat meten met tussenpozen van dertig centimeter. Tot nu toe is dat honderd meter.
Leestijd: 7 minuten (1474 woorden)
Het is een van die raadsels, waarvan je niet eens wist dat het een raadsel is. Tenslotte geloven we allang niet meer dat donder en bliksem ontstaan doordat de dondergod Thor zijn hamer gooit. Het is ‘gewoon’ een elektrische ontlading in een onweerswolk. Toch?
Dat klopt natuurlijk. Deels. Maar wat niemand echt weet, is hoe die ontlading ontstaat. Hetzelfde geldt voor de manier waarop de bliksem zich langs de hemel verplaatst. Alweer een fenomeen dat veel geheimzinniger is dan je misschien zou denken. ‘Natuurlijk ontstaat bliksem door het ladingsverschil tussen de elektrische velden’, vertelt hoogleraar deeltjesfysica Olaf Scholten van het KVI-CART van de RUG. ‘Maar de spanning in die velden is eigenlijk niet hoog genoeg voor die allereerste vonk. Dus de vraag is: hoe komt het dat er toch bliksem ontstaat?’
Dat is de vraag die hij samen met zijn promovenda Gia Thi Ngoc Trinh probeert te beantwoorden met behulp van een revolutionaire methode die ze per ongeluk ontwikkelden. De honderden LOFAR-antennes die in de weilanden bij Exloo in de bodem zijn geprikt om naar de sterren te luisteren, vormen daarvoor de basis.
Onbedoelde spin-off
Ze staan er wat eenzaam bij, de radioantennes. Ze zijn kilometers verwijderd van de dichtstbijzijnde bebouwing. Hun enige gezelschap bestaat uit reeën die wegspringen, overvliegende ganzen, rietzangers en leeuweriken. Het kan er behoorlijk nat worden, dus de meeste staan in grote plassen water – zeker in de winter en het voorjaar. Laarzenland, zeg maar. Lastig te geloven dat deze ogenschijnlijk simpele sprietjes niet alleen naar de sterren kunnen luisteren, maar ook naar het radiosignaal van bliksem.
Ze zijn daar dan ook helemaal niet voor gemaakt. Sterker nog, het onderzoek waarvoor Trinh ze aanvankelijke gebruikte, was ook al een onbedoelde spin-off. Ze bestudeerde het radiosignaal van de deeltjesdouche die ontstaat wanneer een hoogenergetisch deeltje vanuit het universum de dampkring raakt. Je kunt het gebruiken om te bepalen op welke hoogte de douche zijn maximum bereikt en dat geeft weer informatie over de herkomst van dat allereerste deeltje.
‘Maar toen de metingen terugkwamen, bleek de deeltjesdouche in een aantal gevallen niet te passen bij het verwachte model’, vertelt Trinh. ‘Er was iets vreemds aan de hand.’
‘Alleen was er wel regelmaat in de afwijking’, vult Scholten aan. ‘Het was een duidelijk patroon, geen ruis. Dus we zouden het moeten kunnen begrijpen.’
Geen lichaamsreflexen
De verwarring duurde tot het moment dat Trinh gegevens over de weersomstandigheden van het KNMI combineerde met de deeltesdouchedata. ‘Toen zagen we dat elke keer dat onze data een afwijkend patroon vertoonden, er een onweersbui in de buurt was geweest. Er moest wel een verband zijn!’
Wat is onweer?
Onweer ontstaat meestal als er een groot verschil is tussen de temperatuur in de verschillende luchtlagen. Warme lucht die zich dicht bij de grond bevindt, stijgt op tot grote hoogtes en koelt daar sterk af. Daarbij ontstaan zowel ijsdeeltjes, die een negatieve lading krijgen, als sneeuwdeeltjes met een positieve lading. De zwaardere ijsdeeltjes zakken omlaag, de lichtere sneeuwdeeltjes stijgen naar het bovenste deel van de wolk. Maar het aardoppervlak zelf heeft een positieve lading. Het verschil zorgt voor een krachtige ontlading: bliksem.
Stevig doorrekenen bevestigde dat vermoeden. Wanneer een deeltjesdouche door een onweersbui reist, krijgt het signaal behoorlijk wat te verduren door de sterke elektrische velden in de wolk. De polarisatie, of trillingsrichting, verandert en de intensiteit van de radiostraling wordt groter. En die gegevens maken het mogelijk een vingerafdruk te maken van de onweersbui.
‘Die gegevens zijn bovendien veel preciezer dan wat we tot nu toe konden meten’, zegt Trinh. Normaal worden dergelijke metingen met een weerballon gedaan, die wordt opgelaten in de wolk. ‘Maar die ballon beïnvloedt het elektrisch veld en daarmee ook de metingen.’ Hetzelfde geldt voor het gebruik van vliegtuigen die gegevens verzamelen door dwars door een onweersbui te vliegen.
Sprietjes
Daar komt nog bij dat de antennes van LOFAR veel meer gegevens verzamelen dan mogelijk is met een vliegtuig of een ballon. De sprietjes op de ‘superterp’ – het gevoelige hart van de telescoop – zijn namelijk zo geprogrammeerd dat ze voortdurend informatie verzamelen en die ook weer weggooien. Maar als er een bepaalde ‘trigger’ binnenkomt – bijvoorbeeld een patroon dat samenhangt met de inslag van een kosmisch deeltje – dan bewaart LOFAR alles wat er in de vijf seconden daarvoor is binnengekomen. En dus ook als dat samenvalt met een bliksemontlading.
Zo blijkt een deeltjesdouche normaal een soort niervormig spanningspatroon te laten zien, maar tijdens een onweersbui is dat ineens een prachtige cirkel geworden. Je kunt er precies uit afleiden hoe sterk de elektrische velden zijn op verschillende hoogten in de onweerswolk.
IJsnaald
Betekent dat dat we straks eindelijk het raadsel van het onweer kunnen oplossen? Is het werkelijk waar dat negatief geladen ijskristallen in een onweerswolk zich tot een naald vormen, die de extra hoge ladingen mogelijk maakt, waardoor die eerste vonk ontstaat? Dat is namelijk een kansrijke theorie. ‘Het elektrische veld is altijd het sterkste bij de punt van de naald’, verklaart Scholten. ‘Dat zou een verklaring kunnen vormen voor het feit dat bliksem ontstaat terwijl de lading van het veld zelf eigenlijk niet groot genoeg is.’
Bliksems!
Veel mensen denken bij bliksem aan de gevorkte flitsen langs de hemel. Maar er zijn nog veel meer elektrische ontladingen mogelijk, die vaak in de atmosfeer plaatsvinden.
Sprites – Roodgekleurde lichtflitsen die enkele milliseconden zichtbaar zijn boven een actieve onweersbui in de mesosfeer, op ongeveer 75 kilometer hoogte. Sprites zijn in groepjes zichtbaar en ontstaan enkele duizendsten van een seconde na een inslag in de aarde. Ze zijn pas in 1989 ontdekt.
Elves – Lichtgevende ringen die minder dan een milliseconde zichtbaar zijn. Ze ontstaan soms op zo’n 90 kilometer hoogte nadat bliksemflitsen een sterke elektromagnetische puls de atmosfeer in gezonden hebben en kunnen wel 400 kilometer breed worden.
Blue Jets – Blauwe, kegelvormige flitsen die op de top van een onweerswolk ontstaan en omhoog worden gezonden.
Bolbliksem – Mysterieuze bliksem die zo groot kan worden als een voetbal en zich soms dwars door huizen zou verplaatsen. Als verklaring is gegeven dat een bolbliksem een elektronenwolk is, maar die zou niet gedurende enkele seconden kunnen bestaan. In 2000 kwamen Nieuw-Zeelandse onderzoekers met de theorie dat een bolbliksem ontstaat doordat in bepaalde gevallen na een inslag silicium ontstaat, dat de vorm aanneemt van een pluizige bol. Het gloeien ontstaat dan door oxidatie.
Weerlicht – Bliksemflitsen die in de wolk zelf plaatsvinden. Bij weerlicht zie je de wolk zelf oplichten.
Of ontstaat bliksem doordat een hoogenergetisch kosmisch deeltje een cascade van vrije elektronen in gang zet? Wanneer zo’n elektron door een elektrisch veldt raast, krijgt hij voldoende energie om de luchtmoleculen te ioniseren, waardoor een kanaal ontstaat waar de bliksem doorheen kan ‘reizen’. Ook dat is een mogelijke verklaring. ‘Begint bliksem op één specifieke plek, dan is er goede kans dat het inderdaad te maken heeft met een kosmisch deeltje. Gebeurt het op meerdere plaatsen tegelijk, dan denk je eerder aan ijskristallen.’
Alleen zullen hij en Trinh niet degenen zijn die die experimenten gaan uitvoeren. Zij zijn immers theoretici die meer praktische onderzoeksmethodes aanreiken waarmee anderen weer verdergaan. ‘En nu zijn we ons gereedschap aan het aanscherpen.’
Nanoseconde
Bovendien is hij al bezig met het ontwikkelen van nog meer gereedschap. Want toen Scholten eenmaal besefte dat je LOFAR kunt gebruiken om het eerste begin van een bliksemschicht te bestuderen, begreep hij ook dat het mogelijk moet zijn om de radioantennes voor dat andere raadsel in te zetten: hoe beweegt een bliksemschicht zich eigenlijk tientallen kilometers langs de hemel? Wetenschappers hebben nog altijd geen idee hoe de lucht die eerst als isolator diende, opeens een geleider kan worden.
‘Wat we wel weten, is dat het niet in één keer gebeurt’, zegt hij. Een schicht ‘wandelt’ schoksgewijs langs de hemel. Telkens nieuwe, felle ontladingen die ofwel hoog de atmosfeer in schieten wanneer elves of sprites heen en weer schieten tussen wolken, ofwel omlaag denderen en inslaan in de aarde. En dan zijn er ook nog de uitbarstingen van gamma- en röntgenstraling.
Foto- of filmopnames zijn nog niet accuraat genoeg om dat volledig in kaart te brengen. ‘Bliksem reist tientallen meters in een nanoseconde’, zegt Scholten.
Pure nieuwsgierigheid
Op dit moment kan bliksem met tussenstappen van honderd meter worden gemeten. Maar met de gegevens van de LOFAR-antennes die in het gebied van twintig bij dertig kilometer rond de superterp staan opgesteld, kun je dat terugbrengen tot dertig centimeter. Een gigantische verbetering dus, die potentieel grote inzichten kan brengen.
En dat is nodig ook. Blikseminslagen zorgen voor grote schade aan elektronische apparatuur, de ontladingen hebben invloed op het klimaat en ze brengen schade toe aan vliegtuigen. Beter begrip van het natuurverschijnsel kan de veiligheid vergroten en schade beperken.
Maar voor Scholten en Trinh is dat bijzaak. Zij worden gedreven door pure nieuwsgierigheid naar een bijzonder fenomeen waar ze per ongeluk op stuitten. Al geniet Scholten van zijn nieuwe status als onweersdeskundige. ‘Dat had ik een paar jaar geleden niet voor mogelijk gehouden.’
Olaf Scholten bij de antennes van LOFAR // Foto Christien Boomsma