Bliksem lijkt eindelijk opgelost

Bliksem ontstaat als kosmische straling elektronen losslaat in een geladen wolk. Dat proces wordt geholpen door ‘micro-ontladingen’ .

TOPSHOTS Lightning strikes the sky over Kuwait City during a thunder storm early on May 5, 2013. AFP PHOTO/YASSER AL-ZAYYAT AFP

Het is een beroemde proef: het bliksemexperiment van de Amerikaanse wetenschapper en founding father Benjamin Franklin, waarbij hij rond 1750 een vlieger aan een metaaldraad opliet in een onweerswolk. Door de overspringende vonken toonde hij aan dat onweer een elektrisch verschijnsel was.

De proef is niet alleen opmerkelijk omdat hij levensgevaarlijk is – navolgers van Franklin werden geëlektrocuteerd en de proef is ook nooit zo uitgevoerd door Franklin zelf. Maar ook omdat we het verschijnsel bliksem ruim tweeënhalve eeuw later, nog steeds niet helemaal begrijpen

In het vakblad Physical Review Letters van 3 mei publiceert bliksemonderzoeker Alex Gurevich van het P.N. Lebedev-Instituut in Moskou en een collega uit Nizhni-Novgorod nu een nieuw, mogelijk afsluitend inzicht.

Franklin had gelijk: onweer en bliksemschichten zijn elektrische verschijnselen: kortsluiting eigenlijk. Dit is het klassieke verhaal: onweerswolken ontstaan als warme, vochtige lucht opstijgt, vaak tijdens een hete nazomermiddag. De lucht koelt vervolgens af en het vocht condenseert tot waterdruppeltjes en ijsdeeltjes, die – door nog niet helemaal begrepen processen – elektrische lading kunnen oppikken.

Daardoor kunnen spanningen vaak vele duizenden volts ontstaan die een uitweg zoeken, vaak naar de aarde: kortsluiting. Als genoeg elektronen een weg naar buiten hebben gebaand, volgt de ware klap. De hele elektrische lading van de wolk ramt zich door een kanaal door de lucht dat even 30.000 graden heet wordt en explosief uitzet: de bliksemschicht met bijbehorende dreun.

Een plausibel verhaal, maar er was een probleem. Toen onderzoekers met ballonnen en andere apparatuur (niet met vliegers) in onweerswolken gingen meten, maten ze lang niet de elektrische veldsterkten die nodig zijn voor zo’n wolkenkortsluiting.

En er was nóg een probleem. Onverwacht werden bij blikseminslagen ook pulsen van röntgen- en gammastraling gemeten: elektromagnetische straling met extreem hoge energieën. Zulke straling kan alleen veroorzaakt worden door veel snellere elektronen dan mogelijk zijn in het klassiek verhaal.

In de jaren negentig kwam Alex Gurevich met een verklaring voor beide problemen: runaway breakdown. Losgeslagen elektronen die zich door de lucht voortploegen, worden afgeremd door de lucht. Maar die afremming is gek genoeg veel minder sterk voor extreem snelle elektronen, die bijna zo snel als het licht gaan. Zulke extreem snelle runaway elektronen komen verder en slaan onderweg weer andere elektronen los. Zo wordt een ware elektronenlawine veroorzaakt: de runaway breakdown, die wél haalbaar is bij de gemeten spanningen.

Het kip-ei-probleem – hoe kom je aan je dat eerste extreem snelle elektron? –- was op te lossen met kosmische straling. De aarde wordt voortdurend gebombardeerd door kosmische deeltjes, afkomstig uit bijvoorbeeld supernova’s. Bij binnendringen van de atmosfeer kunnen zulke deeltjes de vacature van bliksembeginner gemakkelijk vervullen.

Maar helemáál opgelost was het verhaal tot nu toe niet. Voor het opwekken van een elektronenlawine zijn kosmische deeltjes nodig met extreem hoge energieën (1017 elektronvolt). Maar die zijn weer te zeldzaam om het aantal werkelijk gemeten bliksemflitsen te verklaren: 50 per seconde wereldwijd.

Dus sloeg Gurevich opnieuw aan het rekenen en nu heeft hij een nieuwe hulpkracht gevonden: de onweerswolk zelf. Alle processen vinden plaats in een wolk vol geladen ijs- en waterdeeltjes. Als er een elektron langs komt razen kunnen ook die deeltjes een micro-ontlading geven. En ook dat kan fors bijdragen aan de elektrische lawinevorming, rekent Gurevich voor. Daardoor heb je maar kosmisch deeltjes van 1012 elektronvolt nodig. Die zijn er ruim genoeg om alle aardse onweer te verzorgen. Gurevich onderbouwt de voorspellingen met metingen aan radiopulsen van 3.800 blikseminslagen bij Nizjni-Novgorod en in het Tien-Shan-gebergte in Kazachstan.