Nu weten we waar de schittering van een bliksemflits vandaan komt

Natuurkunde Een radiotelescoop luisterde eens niet naar buitenaardse signalen, maar naar het onweer.

Bij de ontlading van een wolk schiet vanaf het grensgebied van positieve en negatieve lading een flits in twee richtingen.
Bij de ontlading van een wolk schiet vanaf het grensgebied van positieve en negatieve lading een flits in twee richtingen. Foto iStock

Een bliksemflits kan letterlijk twinkelen. Waarom, was niet duidelijk. Een internationale groep natuurkundigen heeft nu achterhaald dat het te maken heeft met 30 tot 100 meter lange naaldachtige structuren die ze als eerste in beeld heeft gebracht, en die verschijnen langs de positief geladen tak van de flits. Het onderzoek is donderdag gepubliceerd in Nature.

„We denken dat de naalden een rol spelen bij het snel en herhaald ontladen van bliksem”, zegt Brian Hare. Hij is eerste auteur van het artikel en verbonden aan het KVI - Center for Advanced Radiation Technology van de Rijksuniversiteit Groningen. De onderzoekers hebben details van een bliksemflits nu veel beter in beeld weten te brengen door de radiopulsen die zo’n flits uitzendt op te vangen met behulp van LOFAR, een telescoop opgebouwd uit 20.000 radio-antennes, waarvan de helft op een terp tussen de Drentse dorpen Exloo en Buinen staat.

Warm en koud treffen elkaar

Hare benadrukt dat er nog veel onbekend is over het mechanisme van bliksem. „Hoe en waarom een bliksemflits radiopulsen uitzendt begrijpen we bijvoorbeeld niet goed.”

Duidelijk is dat een onweerswolk ontstaat als gebieden met warm en koud weer elkaar treffen. Sterk stijgende warme lucht en sterk dalende koude lucht stromen vlak langs elkaar, met snelheden tot honderd kilometer per uur. Botsingen tussen zich vormende ijskristallen en zachte hagel leiden ertoe dat zich positief en negatief geladen deeltjes vormen, die zich scheiden en de wolk ‘opladen’.

Bij de ontlading van een wolk schiet vanaf het grensgebied van positieve en negatieve lading een flits in twee richtingen. De flits door het positief geladen deel van de wolk is aan zijn voorkant negatief geladen (in het Engels: the negative leader) en die andere is aan zijn voorkant positief geladen. „De negative leader kenmerkt zich door dichte en sterke radiopulsen van een hoge frequentie. Bij de positive leader ontbreken die juist. Ook dat begrijpen we niet.”

Dit mechanisme kan verklaren waarom bliksem herhaaldelijk in hetzelfde gebied inslaat

Brian Hare natuurkundige

Hare en zijn collega Olaf Scholten schreven een algoritme om de door de antennes opgevangen radio-pulsen om te zetten in een 3D-beeld met zeer hoge resolutie. „We hebben anderhalf jaar aan dat algoritme gewerkt”, zegt Hare. „Het was erg lastig.” Ze analyseerden verschillende bliksemflitsen, onder andere eentje van 29 september 2017, op 18 kilometer van de LOFAR-terp.

Nu is duidelijk geworden dat zich langs de positieve tak van de flits twinkelende naald-achtige structuren afsplitsen, die wél radiopulsen uitzenden. Langs de negative leader zien ze die naalden niet. Ze staan loodrecht op de flits en de activiteit binnen een naald plant zich met een snelheid van 300.000 m/s voort. De naalden twinkelen met enige regelmaat: elke 3 tot 7 milliseconden.

Dat de naalden radiopulsen uitzenden, stelde de onderzoekers voor een raadsel. „Omdat de positive leader dat niet doet, nemen we aan dat de naalden dus niet positief geladen zijn, maar negatief.” Maar ook dat was vreemd, vertelt Hare. „Want standaard middelbare-school natuurkunde zegt dat positieve en negatieve lading elkaar aantrekken. Terwijl de naalden loodrecht op de positive leader staan.”

Nóg minder geleidend

Een van de hypotheses is een complex mechanisme: in het kanaal (een plasma) dat zich achter de zich snel voortplantende positive leader heeft gevormd, ontstaan stukken die minder geleidend worden. Daar kan het elektrisch veld omwisselen, waardoor negatieve lading juist wordt afgestoten en weer de wolk ingaat. Het trekt dus lading weg van het hoofdkanaal, dat nóg minder geleidend wordt, legt Hare uit.

Uiteindelijk kunnen de twee hoofdtakken van de bliksemflits van elkaar ontkoppeld raken (het breekpunt). Dit verlaagt bij dat breekpunt dan weer de spanning in het hoofdkanaal van de positive leader, versterkt de omkering van het elektrisch veld, en zorgt voor nog meer naalden.

Maar, zegt Hare, op een gegeven moment heeft zich weer zoveel lading in de wolk opgebouwd, dat de stroom wordt hersteld, en de twee kanalen weer worden verbonden. „Dit mechanisme kan verklaren waarom bliksem herhaaldelijk in hetzelfde gebied inslaat.”