24 apr. 2019
4 minuten
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, slaat bliksem vaak meerdere malen op dezelfde plek in. De reden waarom een bliksemkanaal wordt ‘hergebruikt’, is tot nu toe echter onopgehelderd. Recentelijk heeft een onderzoeksteam de ontwikkeling van bliksemflitsen in ongekend detail bestudeerd met de Lofar radiotelescoop. Hun werk laat zien dat de negatieve lading van een onweerswolk niet in 1 enkele flits ontladen wordt, maar dat een deel ervan kort wordt opgeslagen langs het plasmakanaal nabij breekpunten. Dit gebeurt in nooit eerder beschreven structuren, door de onderzoekers ‘naalden’ genoemd. Door deze naalden kan een negatieve lading resulteren in een herhaaldelijke ontlading op de aardbodem.
De resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
"Deze bevinding staat haaks op het huidige beeld, waarin de lading langs plasmakanalen vloeit en direct of van één deel van de wolk naar een ander deel gaat, of naar de aardbodem", legt Olaf Scholten uit, hoogleraar Natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen, dat het internationaal onderzoeksteam leidde. De reden dat de naalden nooit eerder zijn waargenomen, ligt in de ‘topcapaciteit’ van Lofar, voegt collega Brian Hare toe, de eerste auteur van het artikel: "Deze naalden kunnen een lengte hebben van 100 meter en een diameter van minder dan 5 meter, en zijn te klein en te kortstondig om door andere bliksemdetectiesystemen geregistreerd te worden."
De Low Frequency Array (Lofar) is een Nederlandse radiotelescoop die bestaat uit duizenden redelijk eenvoudige antennes die verspreid zijn over Noord-Europa. De antennes zijn met glasvezelkabels verbonden aan een centrale computer, wat betekent dat ze als één geheel kunnen functioneren. Lofar is voornamelijk ontwikkeld voor het doen van radioastronomische waarnemingen, maar het frequentiebereik van de antennes maakt het systeem ook geschikt voor bliksemonderzoek, omdat bliksemontladingen sterke pulsen uitzenden in de VHF-radiofrequentieband (zeer hoge frequentie).
Binnen in de wolk
Voor de bliksemwaarnemingen hebben de wetenschappers alleen gebruik gemaakt van de Lofar-stations op Nederlands grondgebied, die samen een oppervlak van 3200 vierkante kilometer beslaan. Er is een analyse gemaakt van de ruwe tijdsporen (tot op een nanoseconde nauwkeurig), gemeten in de 30-80 MHz-frequentieband. Hare: "Met deze gegevens kunnen we de verplaatsing van de bliksem op een dusdanige schaal bekijken dat we, voor het eerst, in staat zijn om de primaire processen te onderscheiden. Bovendien geeft het gebruik van radiogolven ons de mogelijkheid om binnen in de wolk te kijken, waar het merendeel van de bliksem zich bevindt."
Bliksem ontstaat wanneer sterke opwaartse luchtstromen een soort statische elektriciteit opwekken in grote cumulonimbuswolken. Delen van de wolk raken positief geladen en andere delen juist negatief. Wanneer deze ladingsscheiding sterk genoeg is geworden, vindt er een heftige ontlading plaats, die ermee begint dat er een plasma ontstaat, een klein gebied van geïoniseerde lucht dat zo heet is dat het elektrisch geleidend wordt. Dit kleine gebied groeit dan uit tot een gevorkt plasmakanaal dat meerdere kilometers lang kan worden. De positief geladen uiteinden van het plasmakanaal verzamelen uit de wolk negatieve ladingen, die zich door het kanaal verplaatsen naar het negatief geladen uiteinde, waar de lading wordt gedeponeerd.
Het was al bekend dat er aan de kant van de groeiende uiteinden van de negatieve kanalen een grote hoeveelheid VHF-emissie geproduceerd wordt, terwijl de positieve kanalen alleen emissies vertonen langs het kanaal, en niet aan het uiteinde ervan.
Een nieuw algoritme
De wetenschappers hebben een algoritme ontwikkeld waardoor ze van twee bliksemflitsen de VHF-radio-emissies konden visualiseren. Dankzij de verspreiding van de antennes over een groot gebied en het zeer nauwkeurige tijdstempel op alle vergaarde gegevens, konden ze de bronnen van de emissie met een niet eerder vertoonde precisie lokaliseren. "Dicht bij het kerngebied van Lofar, waar de antennedichtheid het grootst is, was de ruimtelijke nauwkeurigheid ongeveer een meter", zegt Scholten. Bovendien was het met de verzamelde gegevens mogelijk om 10 keer zoveel VHF-bronnen te lokaliseren dan met andere driedimensionale beeldvormingssystemen, met een tijdsresolutie in de orde van nanoseconden. Dit resulteerde in een hoge resolutie 3D-beeld van de bliksemontlading.
Breekpunt
De resultaten laten duidelijk zien dat er in het ontladingskanaal een breekpunt optreedt, op een locatie waar naalden gevormd worden. Deze lijken negatieve ladingen uit het hoofdkanaal op te nemen, die vervolgens terug de wolk in gaan. De vermindering van de lading in het kanaal is wat de breuk veroorzaakt. Maar zodra de lading in de wolk weer hoog genoeg wordt, wordt de stroom door het kanaal hersteld, wat zich uit in een tweede ontlading. Door dit mechanisme slaat de bliksem herhaaldelijk in hetzelfde gebied in.
Scholten: "De VHF-emissies langs het positieve kanaal zijn het gevolg van vrij regelmatig herhaalde ontladingen in eerder gevormde zijkanalen, de naalden. Het lijkt zo te zijn dat deze naalden de lading met een gepulseerd ritme wegvoeren." Dit is een volledig nieuw verschijnsel, voegt Joe Dwyer van de University of New Hampshire (VS) toe, de derde auteur van het artikel: "Onze nieuwe waarnemingsmethoden maken in de bliksemflits talloze naalden zichtbaar die niet eerder te zien waren." Hare concludeert: "Deze waarnemingen laten zien hoe een deel van de wolk opnieuw geladen wordt, en ze maken begrijpelijk waarom de bliksemontlading naar de grond een paar maal herhaald kan worden."
Anderen lazen ook
