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Blitze zwischen Wolken und Weltraum

Erst vor wenigen Jahren ist man auf seltsame elektrische Aktivitäten aufmerksam geworden, die hoch über Gewitterwolken in dünnen Luftschichten stattfinden. Manche dieser Erscheinungen - Elfen und Kobolde genannt - lassen sich gut erklären, doch andere - blaue Jets und Gammastrahlungsblitze - geben noch Rätsel auf.

Seit jeher haben Gewitter mit Blitz und Donner die Menschen in Furcht versetzt und fasziniert: Die alten Griechen brachten den Blitz mit Zeus in Verbindung, dem mächtigsten ihrer Götter. Und obwohl man heutzutage um den elektrischen Charakter dieses Naturschauspiels weiß, hat es noch nicht all seine Geheimnisse preisgegeben. Beispielsweise sind immer wieder seltsame Leuchterscheinungen in den höheren Regionen des Nachthimmels beobachtet worden; manche ließen sich als Polarlichter oder bizarr beleuchtete Wolken erklären, doch andere waren rätselhafter. Insbesondere Piloten beobachteten in der Dunkelheit hoch über Gewitterwolken gelegentlich gespenstische Lichter. Die meisten Wissenschaftler nahmen diese Berichte nicht ernst – bis John R. Winckler und seine Mitarbeiter von der Universität von Minnesota in Minneapolis 1990 erstmals eines der rätselhaften Phänomene mit der Videokamera festhielten. Ihre Bilder offenbarten Blitze eines völlig neuen Typs (Bild 1).

Nun begannen rege Bemühungen, derartige Entladungen in der oberen Lufthülle zu dokumentieren. Seither hat man – aus der Raumfähre Space Shuttle, von Flugzeugen und vom Boden aus – hunderte davon beobachtet. Somit steht fest, daß spektakuläre Blitze keineswegs nur in den untersten Luftschichten zwischen Gewitterwolken und Erdboden hin und her zucken: Oft gibt es Entladungen in den dünnen Luftschichten bis zu 90 Kilometer oberhalb der Wolken.

Im nachhinein ist erstaunlich, daß man diese Ereignisse nicht früher entdeckt hat; eigentlich hätte man blitzähnliche Leuchterscheinungen in den höchsten Höhen der Lufthülle geradezu erwarten sollen. Seit langem ist bekannt, daß die Ultraviolettstrahlung der Sonne weit jenseits der turbulenten Atmosphärenschichten die Luftmoleküle ionisiert, das heißt aus ihnen Elektronen herausschlägt. Auf diese Weise entsteht oberhalb von rund 80 Kilometern die Ionosphäre, eine elektrisch leitfähige Schicht, die in hunderten Kilometern Höhe allmählich in den erdnahen Weltraum übergeht. Zwischen ihr und einzelnen Gewitterwolken können sich – wie zwischen Wolken und Erdoberfläche – enorme Spannungsunterschiede aufbauen und als Blitze entladen.

Da die Atmosphäre mit zunehmender Höhe immer dünner wird, sind an solchen Entladungen weniger Luftmoleküle beteiligt als in Bodennähe; darum sind die Blitze nur schwach sichtbar und ungewöhnlich – meist rötlich – gefärbt. Man braucht schon sehr empfindliche Videokameras, um diese lichtschwachen und flüchtigen Phänomene am Nachthimmel aufzeichnen zu können. Dennoch konnten die Forscher in wenigen Jahren eine Menge darüber in Erfahrung bringen.

Zwei von uns (Sentman und Wescott) setzten dafür speziell ausgestattete Düsenflugzeuge ein. Außerdem haben wir drei (und viele andere Forscher rund um den Globus) elektrische Aktivitäten in großen Höhen vom Boden aus untersucht. Zum Beispiel treffen wir uns jedes Jahr auf Einladung von Walter A. Lyons, einem Wissenschaftler am ASTeR (einer Abteilung des Unternehmens Mission Research Corporation) in Fort Collins (US-Bundesstaat Colorado) und bauen unsere Ausrüstung in seinem Hinterhof-Labor auf; von dort hat man freie Sicht auf den Nachthimmel, während heftige Gewitter über die Great Plains ziehen. (Die Bilder 1 und 3 wurden von diesem einfachen Observatorium aus aufgenommen.) Umran S. Inan und seine Mitarbeiter von der Universität Stanford in Kalifornien haben von Lyons' Haus aus auch niederfrequente Radiowellen aufgezeichnet und daraus theoretische Modelle entwickelt.

Die kürzlich entdeckten Entladungen in großen Höhen lassen sich vier Kategorien zuordnen. Zwei Typen, die man Kobolde (sprites) und Elfen (elves) getauft hat, scheinen trotz ihrer märchenhaften Namen auf vertrauten Prozessen der Atmosphärenphysik zu beruhen (Bilder 2 und 4). Die Ursachen der beiden anderen Spielarten – der blauen Jets und der Gammastrahlungsblitze – sind hingegen noch ungewiß (Bilder 5 und 6).

Unsere Forschergruppe sowie viele andere rund um die Welt sammeln fleißig weitere Daten und hoffen, auch diese seltsamen Phänomene bald physikalisch erklären zu können. Doch vorerst befällt uns – ähnlich wie unsere Vorfahren angesichts von Blitz und Donner – Staunen und Verwunderung beim Anblick der rätselhaften Energieentladungen, die geisterhaft durch die Zone zwischen Erde und Weltraum tanzen.

Literaturhinweise

- Discovery of Intense Gamma-Ray Flashes of Atmospheric Origin. Von G.J. Fishman, P.N. Bhat, R. Mallozzi, J.M. Horack, T. Koshut, C. Kouveliotou, G.N. Pendleton, C.A. Meegan, R.B. Wilson, W.S. Paciesas, S.J. Goodman und H.J. Christina in: Science, Band 264, Seiten 1313 bis 1316, 27. Mai 1994.

– Preliminary Results from the Sprites94 Aircraft Campaign, 1: Red Sprites. Von D.D. Sentman, E.M. Wescott, D.L. Osborne, D.L. Hampton und M.J. Heavner in: Geophysical Research Letters, Band 22, Heft 10, Seiten 1205 bis 1208, 15. Mai 1995.

– Preliminary Results from the Sprites94 Aircraft Campaign, 2: Blue Jets. Von E.M. Wescott, D.D. Sentman, D.L. Osborne, D.L. Hampton und M.J. Heavner in: Geophysical Research Letters, Band 22, Heft 10, Seiten 1209 bis 1212, 15. Mai 1995.

– Elves: Lightning-Induced Transient Luminous Events in the Lower Ionosphere. Von H. Fukunishi, Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, U.S. Inan und W.A. Lyons in: Geophysical Research Letters, Band 23, Heft 16, Seiten 2157 bis 2160, 1. August 1996.

– Blue Jets Produced by Quasi-electrostatic Pre-discharge Thundercloud Fields. Von V.P. Pasko, U.S. Inan und T.F. Bell in: Geophysical Research Letters, Band 23, Heft 3, Seiten 301 bis 304, Februar 1996.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1997, Seite 64
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 1997

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