Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Volgens een oud Engels spreekwoord slaat de bliksem nooit twee keer op dezelfde plek in. Dat dit niet correct is was al bekend, maar het mechanisme hierachter nog niet. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) heeft dit nu deels ontrafeld met behulp van LOFAR, een telescoop samengesteld uit 20.000 radioantennes, waarvan de helft in Nederland staat. Het onderzoek is in april gepubliceerd in Nature [1].

Auteur: Jeroen Akkermans

De ongekende detailanalyse laat zien dat de negatieve lading van een wolk niet in één enkele flits wegvloeit – naar de aarde of een ander deel van de wolk – via het zogeheten plasmakanaal, maar deels zo’n vijftig milliseconden wordt opgeslagen in nog niet eerder waargenomen naaldachtige structuren. Deze naalden, die zich vormen bij breekpunten van het plasmakanaal en daar haaks op staan, pompen de lading terug de wolk in, waarna er langs hetzelfde kanaal weer een ontlading plaatsvindt.

“Dat de naalden nog nooit zijn waargenomen, komt omdat ze relatief klein zijn. Ze kunnen een lengte hebben van honderd meter en een diameter van minder dan vijf meter. Dat is te klein en kortstondig om met andere bliksemdetectiesystemen dan die van LOFAR te registreren,” vertelt Olaf Scholten, hoogleraar natuurkunde aan het KVI-CART van de RUG.

De vraag is nu hoe deze naalden passen in het gangbare model dat een bliksemflits beschrijft. Dat model komt er, sterk versimpeld, op neer dat een onweerswolk ontstaat doordat warme en koude luchtlagen langs elkaar stromen. IJskristallen en sneeuwvlokjes worden zo positief en negatief geladen, waarna er een ladingsverschil ontstaat tussen de boven- en de onderkant van de wolk; binnen in de wolk ontstaat zo een elektrisch veld.

Daarna vormt er zich in de wolk een plasma van positief geladen moleculen en vrije elektronen. “Hoe dit plasma ontstaat weten we nog niet goed; het elektrisch veld in de wolk is daar niet sterk genoeg voor. Maar zodra er een begin is, groeit het mede door het elektrisch veld uit tot een gevorkt plasmakanaal dat meerdere kilometers lang kan worden.” Het elektrisch veld zorgt er nu voor dat de ‘plasmalading’ verschuift: het plasmakanaal wordt verdeeld in een positief en negatief stuk die respectievelijk in het negatieve en positieve deel van de wolk steken. “Het positieve stuk verzamelt vervolgens vrije elektronen, die van daaruit via het negatieve kanaal eindigen in het positieve deel van de wolk. Op die manier wordt het ladingsverschil opgeheven. Dit is kortweg de flits die we zien.”

Het ladingsverschil wordt alleen wel in etappes opgeheven, zo blijkt uit de LOFAR-metingen. Het idee is nu dat dit komt doordat het plasmakanaal plaatselijk afkoelt waardoor de weerstand in het kanaal stijgt. Dit geeft een breuk waardoor de elektronenstroom richting het negatieve kanaal stokt en zich ophoopt in zijtakken van het positieve kanaal, de zogenoemde naalden. “Op een gegeven moment gaan de elektronen dan weer terug de wolk in. Daarop herhaalt het ontladingsproces zich.”

Een ander raadselachtig fenomeen vormen de radiogolven die de ontladingen produceren in het very high frequency (VHF)-gebied. “We zien de VHF-straling in de naalden en langs het positieve kanaal. Kennelijk beweegt de lading daar schokkerig: versnellen, afremmen en weer versnellen. De reden hiervoor is nog onduidelijk, maar dankzij deze straling hebben we wel de naalden kunnen waarnemen.”

REFERENTIE

1 Brian Hare et al., Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches, Nature 568, 360-363 (2019).