Bliksem slaat meermaals in door naaldstructuren

Eén bliksemflits bestaat in veel gevallen uit meerdere flitsen. Wat op het oog een enkele flits lijkt, is eigenlijk een serie flikkeringen. Hiervoor is een mogelijke verklaring gevonden. Met de radiotelescoop LOFAR hebben Groningse onderzoekers voorheen onbekende naaldstructuren gemeten die voor de herhaalde ontladingen kunnen zorgen.

‘Als je met heel goede ogen of met een camera naar bliksem kijkt, dan zie je vaak dat de bliksem flikkert. De bliksem die inslaat, slaat een fractie van een seconde later nogmaals in via hetzelfde ontladingskanaal’, zegt Olaf Scholten, deeltjesfysicus en hoogleraar aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Het onderzoek van de Groningers laat nu zien dat de flikkeringen ontstaan doordat het deel van de onweerswolk dat net ontladen is weer oplaadt via nog nooit eerder waargenomen naaldstructuren. Daardoor kan de wolk nogmaals ontladen. Deze ‘naalden’ zijn door geen enkele theorie voorspeld. ‘Het is een compleet nieuwe en onverwachte ontdekking’, zegt Scholten.

‘We hebben alle metingen minstens twee keer bekeken en gecontroleerd om zeker te zijn dat we echt iets nieuws zagen. En dat het geen meetfout was’, zegt eerste auteur Brian Hare, postdoc bij het astrodeeltjesfysica-instituut van de Rijksuniversiteit Groningen.

Radiostraling
De naalden zijn voor het eerst waargenomen dankzij de hoge resolutie van de radiotelescoop Low-Frequency Array (LOFAR). Deze telescoop bestaat uit duizenden radioantennes verspreid door Noord-Europa. Voor het bliksemonderzoek gebruikten de onderzoekers het gedeelte dat in Nederland staat.

LOFAR is gebouwd voor radioastronomie. Bliksem zendt, naast zichtbare lichtflitsen, ook radiostraling uit. Die straling is meetbaar met de LOFAR-antennes.

‘We hebben nieuwe algoritmen en technieken ontwikkeld om van de metingen van LOFAR driedimensionale beelden van bliksem te maken’, zegt Scholten. Hiermee haalden ze een ongeëvenaarde resolutie. Eerdere radiometingen van bliksem konden structuren die kleiner zijn dan een paar honderd meter niet onderscheiden. Dankzij LOFAR werden flitsen tot op een meter nauwkeurig in beeld gebracht. Dat klinkt niet erg nauwkeurig, maar voor bliksemonderzoek is het uitstekend.

‘We gebruikten metingen van twee bliksemflitsen die elk nog geen seconde duurden’, zegt Hare. ‘In die metingen zagen de onderzoekers naaldstructuren van tien tot honderd meter lang en enkele meters breed. ‘Dat is klein voor bliksemonderzoeksbegrippen. Daarom waren ze nog nooit eerder waargenomen.’ Dankzij de hoogfrequente radiostraling die de naalden uitzenden, kan LOFAR ze detecteren.

Elektrische ontlading
Bliksem ontstaat in een onweerswolk die door sterkte opwaartse luchtstromen statisch geladen is geraakt. De wolk ontlaadt in de vorm van een bliksemflits die overspringt in of tussen wolken of naar de grond.

Een bliksemflits begint in één punt. Door het ladingsverschil in de wolk vormt daar een plasma van positief geladen moleculen en negatief geladen vrije elektronen. Door dit plasma kan lading zich gemakkelijk verplaatsen.

In het punt ontstaat een positief en een negatief geladen kant. Daaruit groeien twee plasmakanalen van heet gas: een met een positief uiteinde en een met een negatief geladen uiteinde. Deze plasmakanalen hebben een gevorkte structuur, zijn meerdere kilometers lang en bestaan uit heet plasma. Tijdens een ontlading schiet de lading door zo’n kanaal naar een andere wolk of de grond. Het hete gas licht dan op en je ziet een bliksemflits.PlayVertraagde weergave van bliksemontwikkeling. In werkelijkheid duurt dit 0,2 seconde en beslaat de bliksem vijf kilometer in alle richtingen. De gele oplichtende stippen zijn uitgezonden radiogolven. Het ‘flikkeren’ van gele stippen bovenin wordt veroorzaakt door de nieuw ontdekte naalden. Bron: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) en Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen).

Tientallen naalden
Uit de LOFAR-metingen blijkt dat er vanuit een ontladingskanaal tientallen naaldstructuren groeien. Die naalden gedragen zich als een soort sponzen, zegt Scholten. Ze zuigen elektrische lading op waardoor er door de rest van het ontladingskanaal minder elektrische lading stroomt. Daardoor koelt het kanaal af en stopt met gloeien. Na hooguit 100 milliseconden zijn de naalden volgezogen met lading en ontladen ze. Daarbij zenden ze hun lading het net afgekoelde plasmakanaal in. Het gas in het kanaal wordt daardoor weer heet en licht op. Dit proces kan zich in een seconde tot wel tien keer herhalen. Dit gaat zo snel dat een blikseminslag die uit meerdere flitsen bestaat een enkele flits lijkt.

Nu deze naalden ontdekt zijn, zijn er nieuwe vragen om te beantwoorden. Zo worden de naalden alleen gezien bij ontladingskanalen met een positief uiteinde. ‘We weten nog niet waarom dat zo is’, zegt Scholten. ‘Het is al langer bekend dat positieve en negatieve kanalen zich anders gedragen. Dit draagt bij aan dat beeld, maar geeft nog geen verklaring.’PlayDeze video focust op een kanaal met een positief uiteinde. In werkelijkheid duurt dit 0,1 seconde en beslaat het ongeveer 400 meter. Vanaf 0:10 ontstaan er naalden. Een bijzonder grote naaldstructuur is uitgelicht in rood. Bron: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) en Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen).

Mogelijk ontstaan de naalden alleen bij de kanalen met positieve uiteinden omdat de positief geladen deeltjes trager bewegen. Daardoor zou de ladingstroom kwetsbaarder kunnen zijn voor onderbrekingen, schrijven de niet betrokken onderzoekers Earle Williams en Joan Montanyà in een begeleidend News & Views artikel. De negatief geladen, vrije elektronen zijn namelijk lichter en mobieler dan de zwaardere, positief geladen moleculen en atomen. Verder wijzen Williams en Montanyà erop dat het belangrijk is om nu in nog meer detail te gaan onderzoeken wat precies de invloed van de naalden op de ontladingskanalen is.