Universiteit Leiden

nl en

Waarom bliksem vaak meermaals inslaat

Bliksem slaat vaak meerdere keren via dezelfde route in. De reden hierachter bleef lange tijd een raadsel. Recentelijk bracht een internationaal onderzoeksteam, waarbij ook de Leidse Sterrewacht aangesloten was, hier verandering in. Met de LOFAR radiotelescoop bestudeerden onderzoekers de bliksemflitsen in ongekend detail. De resultaten verschenen 18 april in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Naalden

Het werk laat zien dat een onweerswolk zich niet in één enkele flits van zijn negatieve lading ontdoet, maar dat een deel ervan kort wordt opgeslagen langs het plasmakanaal nabij breekpunten. Dit gebeurt in tot nu toe onbeschreven structuren, dunne zijkanalen die de onderzoekers ‘naalden’ noemen. Door deze naalden kan een negatieve lading resulteren in een herhaaldelijke ontlading op de aardbodem. ‘Deze bevinding staat haaks op het huidige beeld, waarin de lading langs plasmakanalen vloeit en direct van één deel van de wolk naar een ander deel of naar de aardbodem gaat’, legt Olaf Scholten uit, hoogleraar Natuurkunde aan het KVI-CART van de Rijksuniversiteit Groningen.

De reden dat de naalden nooit eerder zijn waargenomen, ligt volgens eerste auteur Brian Hare in de aard van deze naaldjes: ‘De naalden kunnen een lengte hebben van 100 meter en een diameter van minder dan vijf meter. Ze zijn te klein en te kortstondig om met andere bliksemdetectiesystemen te registreren. De topcapaciteit van LOFAR heeft dit nu voor het eerst mogelijk gemaakt.’

De Low Frequency Array (LOFAR) is een Nederlandse radiotelescoop die bestaat uit duizenden eenvoudige antennes die verspreid zijn over Noord-Europa. De antennes zijn met glasvezelkabels verbonden aan een centrale computer, en kunnen dus als één geheel functioneren. LOFAR is voornamelijk ontwikkeld voor radioastronomische waarnemingen. Het frequentiebereik van de antennes maakt het systeem echter ook geschikt voor bliksemonderzoek, omdat bliksemontladingen sterke pulsen uitzenden in de VHF-radiofrequentieband (zeer hoge frequentie). 

Bliksem ontstaat wanneer sterke opwaartse luchtstromen statische elektriciteit opwekken in grote cumulonimbuswolken. Sommige delen van de wolk raken positief geladen en andere delen juist negatief. Wanneer deze ladingsscheiding sterk genoeg wordt, vindt er een heftige ontlading plaats, die we als bliksem kennen. Bij een dergelijke ontlading ontstaat eerst een plasma: een klein gebied van geïoniseerde lucht dat zo heet is dat het elektrisch geleidend wordt. Dit kleine gebied groeit uit tot een gevorkt plasmakanaal dat meerdere kilometers lang kan worden. 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.

Binnen in de wolk

Voor de bliksemwaarnemingen in het nieuwe onderzoek gebruikten de wetenschappers alleen de LOFAR-stations op Nederlands grondgebied. Deze beslaan samen een oppervlak van 3.200 vierkante kilometer. Hare: ‘Met deze gegevens kunnen we de verplaatsing van de bliksem op een dusdanige schaal bekijken dat we voor het eerst de primaire processen kunnen 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.’

Een nieuw algoritme

De wetenschappers ontwikkelden een nieuw algoritme voor de LOFAR-gegevens, 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. ‘Dichtbij 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 tien keer zoveel VHF-bronnen te lokaliseren als 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 vormen. Deze naalden lijken negatieve ladingen uit het hoofdkanaal op te nemen, die vervolgens terug de wolk in gaan. De vermindering van de lading in het kanaal veroorzaakt vervolgens de breuk. 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.

‘De VHF-emissies langs het positieve kanaal zijn het gevolg van vrij regelmatig herhaalde ontladingen in eerder gevormde zijkanalen, de naalden’, legt Scholten uit. ‘Het lijkt zo te zijn dat deze naalden de lading met een gepulseerd ritme wegvoeren.’ Hare concludeert: ‘Deze waarnemingen laten zien hoe een deel van de wolk opnieuw geladen wordt, en maken begrijpelijk waarom de bliksemontlading naar de grond een paar maal herhaald kan worden.’

Dit is een aangepast persbericht van de Rijksuniversiteit Groningen.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie