Onweer zorgt ook voor een lichtshow bóven de wolken

Fysica In een onweerswolk ontstaan op twintig kilometer boven de aarde ‘blue jets’ die omhoog de stratosfeer in schieten.

De allereerste foto van een blue jet.
De allereerste foto van een blue jet. Foto Victor Pasko, Penn State University

Tijdens een onweersbui kan er niet alleen een flinke lichtshow ontstaan onder een onweerswolk, maar ook erboven. Op tien tot honderd kilometer hoogte kunnen er allerlei vormen van elektrische ontlading ontstaan die gepaard gaan met grote kleurrijke lichtflitsen; van rood oplichtende ringen tot clusters met sprietige ontladingen (sprites) en smalle blauwe bliksembundels.

Er zijn weinig waarnemingen van deze bovenwolkse ontladingen, waardoor er weinig bekend is over de manier waarop ze ontstaan. Waarnemingen met gevoelige camera’s vanaf vliegtuigen, satellieten en het internationale ruimtestation (ISS), brengen daar verandering in. Zo observeerde de ASIM-detector van het ISS eind februari 2019 een onweersbui boven de Stille Oceaan. Er waren vijf intens heldere, blauwe flitsen zichtbaar waarvan er één uitgroeide tot een pulserende, smalle kegelvormige blauwe flits. Deze ontladingsvorm wordt een blue jet genoemd. In een publicatie die woensdag verscheen in Nature beschrijven Europese onderzoekers deze ASIM-waarnemingen.

Gezien door piloten

Het onderzoek naar de bovenwolkse ontladingen begon rond 1990 met de eerste wetenschappelijke waarnemingen, daarvoor werden ze wel al gezien door piloten. Vanaf de grond is dit spektakel alleen zichtbaar in het donker, op een paar honderd kilometer afstand, bij vrij uitzicht op een onweersbui.

De meest bekende bovenwolkse ontladingen zijn de breed uitwaaierende rode sprites die slechts enkele milliseconden duren. Blue jets, die tot enkele honderden milliseconden zichtbaar blijven, zijn zeldzamer. Bliksemflitsen duren gemiddeld 25 tot 30 milliseconden. In tegenstelling tot de sprites, die zich enkele tientallen kilometers boven de wolken vormen, ontstaan de blue jets boven in een onweerswolk op een hoogte van vijftien tot twintig kilometer en klimmen tot vijftig kilometer hoogte.

Lading beweegt gemakkelijk door plasma, maar niet door lucht

Er is veel onbekend over atmosferische ontladingen, maar we weten dat bliksem ontstaat doordat een onweerswolk statisch geladen raakt door interne lucht- en deeltjesstromen. Deze ontlading plant zich op twee manieren voort, vertelt Torsten Neubert van het ruimtevaartinstituut van de technische universiteit van Denemarken (DTU), via Skype. „Er zijn zogeheten streamers en leaders. Die laatste resulteren in bliksem.” Streamers zijn een soort kleine vonken die ontstaan vanuit een geladen punt. Ze verhitten de lucht en zorgen ervoor dat er een plasma ontstaat van vrije negatief geladen elektronen en positief geladen moleculen. Lucht geleidt slecht, maar lading beweegt gemakkelijk door plasma. De streamers verkennen als het ware de omgeving waarna er in één of enkele richtingen een plasmakanaal ontstaat dat zo heet is dat de leader er doorheen een stap vooruit kan zetten. Daarna gaan de streamers weer aan de slag, gevolgd door weer een leader-stap. Zo is er een stapsgewijze bliksemontlading, die wit oplicht door de hoge temperatuur van het plasma. In een bliksem kan de temperatuur oplopen tot 30.000°C. In een blue jet is de temperatuur lager en de verhouding van de moleculen is boven de wolk anders dan eronder.

‘Fraaie metingen’

In de nieuwe ASIM-metingen zagen de onderzoekers boven in onweerswolken alleen blauw oplichtende streamers die tot vijftig kilometer omhoog schoten, zonder leader. Blue jets lijken dus geen bliksem te zijn, maar alleen uit streamers te bestaan. „Verder zagen we dat blue jets beginnen met een soort blue bang in de wolk”, zegt Neubert. „Die heldere flits duurt slecht tien tot twintig microseconde en daarna schiet er een blue jet omhoog.”

„Het zijn uiterst fraaie en interessante metingen”, zegt Eddie van Veldhuizen, voormalig onderzoeker van ontladingen aan de TU Eindhoven. „Zo’n precieze meting vanaf ISS is nog nooit eerder gedaan.”

De komende jaren worden er nieuwe weersatellieten gelanceerd. Die hebben meetinstrumenten aan boord die onderzoekers zullen helpen om steeds meer te begrijpen van onweersbuien en de resulterende mysterieuze lichtshow boven de wolken.