Die Art und Weise, wie wir über Blitze denken, ist tendenziell eher richtungsorientiert. Es schießt in krachenden Elektrizitätsströmen vom Himmel herab, das eigentliche Symbol für die Macht des Sturms.
Aber der Blitz geht nicht immer nach unten, und Wissenschaftler haben gerade eine erste Messung durchgeführt, die uns helfen kann, die Art und Weise zu verstehen, wie diese mächtige Naturkraft entsteht.
Ein Team um den Astrophysiker Toma Oregel-Chaumont von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) hat bei einer bestimmten Art von Blitzen, die nach oben in den Himmel einschlagen und als positive Aufwärtsblitze bezeichnet werden, die Emission von Röntgenstrahlen direkt nachgewiesen und gemessen.
Aufsteigende positive Blitze sind eine Art Blitz, der mit negativ geladenen Blitzen an einem Punkt großer Höhe beginnt und schrittweise in den Himmel aufsteigt, um sich mit einer Gewitterwolke zu verbinden, bevor er eine positive Ladung auf den Boden überträgt. Und die Erkennung von Röntgenstrahlung könnte dazu beitragen, die durch Blitze weltweit verursachten Schäden zu mindern.
„Auf Meereshöhe sind Aufwärtsblitze selten, könnten aber in großen Höhen zur dominierenden Art werden“, sagt Oregel-Chaumont. „Sie können auch potenziell schädlicher sein, da der Blitz bei einem Aufwärtsblitz länger in Kontakt mit einer Struktur bleibt als bei einem Abwärtsblitz, wodurch er mehr Zeit hat, elektrische Ladung zu übertragen.“
Röntgenstrahlen sind eine bekannte Begleiterscheinung von Blitzen. Wir haben sie in abwärts gerichteten Blitzen von der Wolke bis zum Boden und in von Raketen ausgelösten Blitzen entdeckt, in beiden Fällen während der negativen Pfeil-Anführer-Phase nach unten. Und es wurde in der Dart-Leader-Phase eines nach oben gerichteten negativen Blitzes entdeckt.
Doch der Nachweis von Röntgenstrahlen in der Pfeilführungsphase von vier aufwärts gerichteten positiven Blitzen, die vom Säntis-Turm in der Schweiz ausbrechen, ist laut Oregel-Chaumont und ihrem Team ein neues Werkzeug zum Verständnis von Blitzen.
„Der tatsächliche Mechanismus, durch den Blitze entstehen und sich ausbreiten, ist immer noch ein Rätsel“, erklären sie. „Die Beobachtung von aufwärts gerichteten Blitzen von hohen Bauwerken wie dem Säntis-Turm ermöglicht es, Röntgenmessungen mit anderen gleichzeitig gemessenen Größen wie Hochgeschwindigkeitsvideobeobachtungen und elektrischen Strömen zu korrelieren.“
Der Säntisturm ist für die Erforschung von Blitzen hervorragend positioniert. Das 124 Meter hohe Bauwerk, das als Fernmeldeturm und Wetterüberwachungsstation konzipiert und genutzt wird, steht auf dem 2.502 Meter hohen Säntis in den Appenzeller Alpen.
Es ragt wie ein Finger in den Himmel und ist ein Hauptziel für Blitze. Tatsächlich wird es rund 100 Mal im Jahr von Stromschlägen getroffen.
Aufgrund seiner Höhe und der klaren Aussicht von den nahegelegenen Bergen ist es ein hervorragender Ort für die Aufzeichnung und Analyse des Verhaltens von Blitzen. Die vier Aufwärtsblitze haben die Forscher mit Hochgeschwindigkeitskameras eingefangen; Ein Blitz wurde sogar mit atemberaubenden 24.000 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet.
Mit diesen Kameras konnten die Forscher den Unterschied zwischen nach oben gerichteten positiven Blitzen, die Röntgenstrahlen aussenden, und solchen, die dies nicht tun, herausfinden. Die Röntgenemission ist sehr kurz, verschwindet innerhalb der ersten Millisekunde der Leiterbildung und korreliert mit sehr schnellen Änderungen im elektrischen Feld sowie der Geschwindigkeit, mit der sich der Strom ändert.
Die Forscher sagen, dass dies Auswirkungen auf die Eindämmung des Ausmaßes der Zerstörung hat, die Blitze an menschlichen Strukturen anrichten.
„Als Physiker möchte ich die Theorie hinter Beobachtungen verstehen, aber diese Informationen sind auch wichtig, um Blitze aus technischer Sicht zu verstehen“, sagt Oregel-Chaumont.
„Immer mehr hochgelegene Bauwerke wie Windkraftanlagen und Flugzeuge werden aus Verbundwerkstoffen gebaut. Diese sind weniger leitfähig als Metalle wie Aluminium, erhitzen sich also stärker und sind dadurch anfälliger für Schäden durch aufsteigende Blitze.“
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.