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Atmosphärenphysik: Gammablitze aus den Wolken

Seit 20 Jahren wissen Physiker, dass Gewitter energiereiche Gammastrahlung emittieren. Doch wie und warum, dieses Rätsel lösen sie erst jetzt Stück für Stück.
Gewitterwolken emittieren energiereiche Gammastrahlung in einige Millisekunden währenden Ausbrüchen. Mögliche Erklärungen für das Phänomen beruhen auf starken elektrischen Feldern, die im Innern von Wolken Elektronenlawinen auslösen.

Kurz nachdem die Raumfähre Atlantis 1991 ein neues Weltraumteleskop in eine Erdumlaufbahn gebracht hatte, machte Gerald Fishman vom Marshall Space Flight Center der NASA eine merkwürdige Entdeckung. Das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) sollte eigentlich Gammablitze von entfernten astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen, Schwarzen Löchern und Supernova-Überresten aufzeichnen. Das tat es zwar – darüber hinaus registrierte es aber auch Gammasignale, die nicht aus dem Weltall, sondern von der Erde stammten.

Für Astrophysiker war Gammastrahlung schon damals nichts Ungewöhnliches. Sie wussten: Elektronen und andere Teilchen im All können etwa durch Sternexplosionen auf so hohe Energien beschleunigt werden, dass sie bei der Kollision mit einem Atomkern energiereiche Strahlung aussenden. Wie aber sollen Teilchen in der Erdatmosphäre derart hohe Energien erreichen? Zumal sie hier ständig mit Atomen und Molekülen kollidieren, während sich ihre kosmischen Pendants praktisch ungebremst durch ein fast perfektes Vakuum bewegen.

Seither stellen die so genannten terrestrischen Gammablitze Forscher vor immer neue Rätsel. Die ersten Daten ließen uns und andere Wissenschaftler zunächst annehmen, sie entstünden rund 65 Kilometer oberhalb der Wolken. Heute, nach vielen Messungen und theoretischen Überlegungen, wissen wir jedoch, dass sie durch elektrische Entladungen in gewöhnlichen Gewitterwolken erzeugt werden – also in viel geringerer Höhe. Allmählich stellte sich auch heraus, dass die Energie der atmosphärischen Gammastrahlung viel höhere Werte erreichte, als man für möglich gehalten hatte. Die Theoretiker hatten daher in der Zwischenzeit alle Hände voll zu tun, immer neue Beobachtungsdaten in ihre Modelle zu integrieren.

Ursprünglich vermuteten Forscher, Gammablitze könnten mit einem anderen atmosphärischen Phänomen verwandt sein, den Kobolden. 1989 hatte man begonnen, diese kurz und hell aufflackernden Leuchterscheinungen von Flugzeugen und Spaceshuttles aus gezielt zu fotografieren. Die Bilder zeigten rötliche Gebilde in 80 Kilometer Höhe über dem Erdboden, die sich über mehrere Kilometer erstreckten und wie riesige Quallen erschienen. Da diese gewaltigen elektrischen Entladungen fast an der Grenze zum Weltraum auftreten, schien es plausibel, dass von ihnen Gammastrahlung ausgeht, die ein Satellit in einer Umlaufbahn würde messen können ...

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  • Quellen

Briggs, M. S. et al.: Electron-Positron-Beams from Terrestrial Lightning Observed with Fermi GBM. In: Geophysical Research Letters, Artikel-Nr. L02808, 2011

Dwyer, J. R.: Source Mechanisms of Terrestrial Gamma-Ray Flashes. In: Journal of Geophysical Research, Artikel-Nr. D10103, 2008

Fishman, G. J. et al.: Discovery of Intense Gamma Ray Flashes of Atmospheric Origin. In: Science 264, S. 1313 – 1316, 1994

Gurevich, A. V., Zybin, K. P.: Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning. In: Physics Today 58, S. 37 – 43, 2005