Neue Form der Blitz-Bildung entdeckt

„Verkehrte“ Entladung: Forscher haben in Gewitterwolken eine ganz neue Form der Blitzentstehung entdeckt. Dabei bewegt sich die Entladung innerhalb der Wolke genau umgekehrt und ist negativ statt positiv geladen, wie ihre Messungen ergaben. Warum und wie oft solche negativen Kurzschlüsse in Gewittern entstehen, ist allerdings noch rätselhaft. Ihre Entdeckung bestätigt aber, dass die Prozesse bei der Blitzentstehung noch lange nicht vollständig aufgeklärt sind.

Donner und Blitz sind die typischen Anzeichen für ein Gewitter. Die Blitze entstehen, wenn sich in der Gewitterwolke starke Ladungsunterschiede aufbauen. Die dabei auftretenden Spannungen können mehr als eine Milliarde Volt erreichen. Überschreitet diese Spannung einen Schwellenwert, kommt es zu einer abrupten Entladung – es blitzt. Die Luft im Blitzkanal wird dabei auf bis zu 30.000 Grad aufgeheizt. Bei heftigen Gewittern kommt es sogar zu sogenannten Kobold-Blitzen oder es entstehen Gammastrahlen und Antimaterie.

Kurzschluss in der Wolke

Doch selbst normale Blitze geben noch immer Rätsel auf: „Trotz mehr als 250 Jahren der Forschung ist es noch immer ein Rätsel, wie ein Blitz beginnt“, sagt Ningyu Liu von der University of New Hampshire. Der gängigen Theorie nach sind sogenannte positive Streamer der Auslöser: Kalte, von Eisteilchen durchsetzte Plasmaströme rasen in der Wolke nach unten und bahnen dabei dem Ladungsausgleich den Weg.

„Diese Streamer führen zur Entwicklung des ersten Blitzkanals“, erklären Liu und sein Team. „Daher geht man davon aus, dass der elektrische Kurzschluss in Gewitterwolken mit einer positiven Entladung beginnt.“ Diese Entladungen setzen einen kurzen, aber starken Radiopuls frei, den man auch von Boden aus messen kann. Genau dies haben die Forscher während mehrerer Gewitter in Florida genutzt, um mehr über die Vorgänge bei der Blitzbildung zu erfahren.

Einige Entladungen geschehen verkehrtherum

Das überraschende Ergebnis: Bei einigen Gewittern bewegten sich die Streamer genau „falsch herum“. Statt von oben nach unten raste der Kurzschluss in die entgegengesetzte Richtung, wie die Forscher berichten. Die Entladungen erreichten dabei Geschwindigkeiten von bis zu einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit und erstreckten sich teilweise über Distanzen von 500 Metern. Zudem scheinen diese Ereignisse immer viele Streamer auf einmal zu umfassen.

„Dieser Prozess war völlig unerwartet“, sagt Liu. „Die Aufwärts-Bewegung deutet daraufhin, dass es hier zu einem negativen Ladungszusammenbruch kommt.“ Das sei das erste Mal, dass solche negativen Kurzschlüsse in Gewitterwolken beobachtet wurden, so der Physiker. „Diese negativen Entladungen sind zwar seltener, aber sie machen einen durchaus bemerkbaren Anteil der Ereignisse aus.“

Doch keine Einbahnstraße

Warum die Entladungen manchmal verkehrtherum auftreten, ist allerdings noch rätselhaft. Die Forscher vermuten, dass dies immer dann passiert, wenn der normale positive Kurzschluss in der Gewitterwolke unterdrückt wird. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Blitzreaktion innerhalb einer Wolke bidirektionaler ablaufen kann als man bisher gedacht hat, sagt Lius Kollegin Julia Tilles.

Die Wissenschaftler hoffen, durch weitere Messungen mehr über diesen neu entdeckten Blitzauslöser zu erfahren. Auch wie häufig solche negativen Kurzschlüsse auftreten und wie oft aus ihnen sichtbare Blitze entstehen, wollen sie damit klären. In jeden Fall scheint damit klar, dass in den Gewitterwolken noch einige Überraschungen warten könnten. ( Nature Communications, 2019; doi: 10.1038/s41467-019-09621-z)

Quelle: University of New Hampshire