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Gewitterforschung: Kobolde und Treibhausgase

Rätselhafte Leuchterscheinungen hoch über Gewitterwolken galten lange als Kuriosität. Doch inzwischen zeigt sich: Die märchenhaften Figuren beeinflussen die Ozonschicht und wärmen vermutlich sogar die Erde.
Roter Kobold über MexikoLaden...

Auf die Frage, womit er sein Geld verdient, antwortet Holger Winkler vom Bremer Institut für Umweltphysik mit verschmitztem Lächeln: »Ich erzähle eigentlich ganz gerne, dass ich Koboldforschung betreibe.« Er untersucht bizarre Leuchterscheinungen über Gewitterwolken, die reaktionsfreudige Substanzen in der Atmosphäre erzeugen und dabei auch den Treibhauseffekt und die Ozonschicht beeinflussen.

Heftige Gewitter beschränken sich nicht auf die Troposphäre – jene Luftschicht bis in etwa elf Kilometer Höhe, in der sich unser Wetter abspielt. Sie können sich bis in 100 Kilometer Höhe erstrecken. Schon lange ranken sich auch Gerüchte über ominöse Leuchterscheinungen um Gewitterwolken: Piloten sahen für Sekundenbruchteile kilometergroße Figuren aufblitzen, deren Formen an Quallen mit roten Köpfen und blauen Tentakeln, Atompilze oder Karotten erinnern. Dass solche ungewöhnlichen Lichterscheinungen nur selten von Piloten gemeldet wurden, verwundert nicht: Die wollten natürlich nicht für Spinner gehalten werden – zumal für die regelmäßige nachzuweisende Flugtauglichkeit auch psychische Krankheiten eine Rolle spielen. Dabei sind die Leuchterscheinungen mit den ganz gewöhnlichen Blitzen eng verwandt.

Auch nur eine Art Blitz

Wer schon mal in der Nähe eines Blitzeinschlags stand, hat es gespürt: Es liegt eine Spannung in der Luft, die die Haare wortwörtlich zu Berge stehen lassen. Dann durchschlägt der Blitz die Luft und gleicht mit elektrischen Strömen Ladungsunterschiede aus. Solche elektrischen Entladungen passieren meistens zwischen Gewitterwolken untereinander, gelegentlich zwischen Wolke und Erde. Auch zwischen einer hohen Luftschicht und der Gewitterwolke ereignen sich elektrische Entladungen, die jedoch völlig anders aussehen als normale Blitze.

Genau wie diese lösen sie allerdings chemische Reaktionen in der Atmosphäre aus. Die starken elektrischen Ströme aktivieren die Moleküle der Luft und erzeugen eine Vielzahl von Reaktionsprodukten, darunter hochwirksame Klimagase und Ozon zerstörende Stoffe. Doch welche Moleküle über den Wolken entstehen und was sie bewirken, ist noch unklar. Erst seit den 1990er Jahren werden sie überhaupt erforscht – obwohl man viel früher von ihnen hätte wissen können.

Die mysteriösen optischen Phänomene, beobachtet vor allem von Piloten, traten immer wieder auf – unvorhersehbar, und kurz wie ein Lidschlag. Bereits 1925 prognostizierte Charles T. R. Wilson, Physiknobelpreisträger und Begründer der modernen Gewitterforschung, dass man hoch über Gewitterwolken elektrische Entladungen finden müsste. Aber erst als 1989 zufällig das erste Foto gemacht wurde, schenkte man den Berichten über ihre Existenz Glauben, und ein neues internationales Forschungsfeld war geboren.

Inspiriert von ihrer flüchtigen und trügerischen Natur, tauften Wissenschaftler diese Phänomene »Kobolde« nach den in Shakespeares Werken »Der Sturm« und »Sommernachtstraum« beschriebenen »Sprites«. Das Wort »Sprite« ist gleichzeitig ein Akronym für »Stratospheric/mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification« (Stratosphärisch/mesosphärische Störungen durch intensive Gewitter-Elektrifizierung). Der Name verrät bereits viel: Nach einem intensiven Wolke-Boden-Blitz folgt eine elektrische Entladung als Sprite-Ereignis in etwa 80 Kilometer Höhe in der Mesosphäre, der abwärts bis in die Stratosphäre reicht.

Kobolde, Elfen, Jets – über den Wolken eine ganze Märchenwelt

Bis zu 50 Kilometer hoch und breit mag ein Kobold werden. Der genaue Entstehungsmechanismus wird noch diskutiert, aber »ein Schwellenwert der Blitzstärke ist entscheidend«, weiß der Physiker Winkler. Seit den 1990er Jahren wurden etliche Sprites gesichtet. Und neue optische Gewitterphänomene wurden über den Wolken entdeckt, welche die Wissenschaft nun unter »Transiente Lumineszenz-Ereignisse« zusammenfasst – kurz: TLE.

Rote Kobolde entstehen oberhalb von großen Gewittern und werden daher nur selten von der Erde aus fotografiert. Diese Bilder entstanden am La-Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in der chilenischen Atacama-Wüste.Laden...
Bilderserie mit roten Kobolden | Rote Kobolde entstehen oberhalb von großen Gewittern und werden daher nur selten von der Erde aus fotografiert. Diese Bilder entstanden am La-Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in der chilenischen Atacama-Wüste.

Neben den Kobolden erhält ein weiterer Vertreter der TLE derzeit erhebliche Aufmerksamkeit in der Forschung: der »Blue Jet« – ein blau-weißer, trichterförmig nach oben gerichteter Strahl. Für die Dauer einer Fünftelsekunde schießt er wie eine Fontäne von der Wolkendecke aus bis in 40 Kilometer Höhe. Doch diese Phänomene sind nur Teil einer elektrischen Märchenwelt über den Wolken. So filmten Spaceshuttles »Elves« (Elfen), hellrote Lichtscheiben in knapp 100 Kilometer Höhe, die sich innerhalb von Millisekunden wellenartig über hunderte Kilometer ausbreiten.

Andere kleinere Phänomene in oder an Gewitterwolken tauften sie »Pixies« (Feen), »Trolls« und »Gnomes«. Der Blue Jet hat zudem einen großen Bruder, den deutlich selteneren »Gigantic Jet«, der sich von einer Gewitterwolke aus bis in 100 Kilometer Höhe ausbreitet und damit doppelt so lang wäre. Auch von Blue Jets und Kobolden kennt man inzwischen mehr als nur ihre äußeren Erscheinungen. Immer mehr entschlüsseln Fachleute, wie sie entstehen und welche Auswirkungen sie auf die Atmosphäre haben. Hinter den beiden Leuchterscheinungen stecken sehr verschiedene Phänomene, wie TLE-Forscher Winkler darlegt. Auch ihre chemischen Produkte unterscheiden sich deswegen deutlich.

Kobolde ereignen sich beispielsweise in höheren Luftschichten und leuchten rot-bläulich wegen ihrer »kalten« Plasmafilamente, in denen die Temperatur nur um einige Grad erhöht ist und Stickstoff (N2) durch Elektronenstöße angeregt wird. Blue Jets sind zwar auch elektrische Entladungen, die »kalte« Glühfäden aus Plasma aussenden, sie haben aber zusätzlich einen etwa 3000 Grad heißen Plasmakanal, und dadurch entstehen sehr unterschiedliche Stoffe.

»Der Hochtemperaturbereich in Blue Jets ist der große Unterschied zu Sprites – dort laufen dann andere Reaktionen ab«, erklärt Winkler, gegenwärtig Deutschlands einziger Koboldforscher. Weltweit untersucht nur eine Hand voll Fachleute, wie sich TLE auf die Atmosphärenchemie auswirken. Sie hielten Blue Jets lange für vernachlässigbar, denn bis vor wenigen Jahren wusste man nichts von ihrem heißen Plasmakanal – doch gerade der erzeugt einige bedeutsame Stoffe.

Kuriose-Kobold-Chemie

Dass heiße Plasmakanäle eine Quelle von Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2) sind, weiß man von gewöhnlichen Gewitterblitzen. Solche Stickoxide beeinflussen unsere Ozonschicht, die uns wiederum vor harter UV-Strahlung schützt. Für Blue Jets fehlten aber bisher Schätzungen zur Bildung der Stickstoffverbindungen, die auch ihre neu entdeckten Hochtemperaturbereiche berücksichtigen. Im Jahr 2015 zeigte Winkler schließlich, dass ein Blue Jet zu einem lokalen Ozonabbau führen kann.

Um jetzt auch Effekte im großen Maßstab zu untersuchen, nutzten Winkler und seine Kollegen aus Spanien, Italien und USA erstmalig ein globales »Klima-Chemie-Modell«. Dessen Aufgabe ist komplex und rechenintensiv: »Es muss erst mal die Reaktionen der ganzen Substanzen untereinander durchrechnen«, beschreibt Winkler. »Dann muss es noch Transportprozesse berücksichtigen, weil die Sachen ja hin und her bewegt werden durch Wind und Diffusion. Und schließlich muss es noch Heizraten berechnen. Das heißt, man guckt, wie das Sonnenlicht durch die Atmosphäre geht: was wird wo absorbiert, was wird reflektiert, von Wolken und so weiter.«

Wochenlang berechnete ein Supercomputer, wie sich die freigesetzten Stickstoffsubstanzen über Jahre in der Atmosphäre verteilen und wo sie sich anreichern. Das Ergebnis der Studie erschien aktuell im »Journal of Geophysical Research/«: Demnach bringen Blue Jets in manchen Szenarien signifikante Mengen an Stickstoffsubstanzen in die Atmosphäre ein – darunter überraschend viel Distickstoffmonoxid, allgemein bekannt als Lachgas. Winkler, Koautor der Studie, erklärt die Relevanz: »Lachgas hat eine Lebensdauer von über 100 Jahren und ist ein deutlich stärkeres Treibhausgas als CO2.« Insgesamt könnten Blue Jets bis zu 3,8 Millionen Tonnen Lachgas jährlich erzeugen – das wären etwa 20 Prozent der natürlichen Gesamtquellen.

Winkler räumt zwar ein, dass diese allerersten Abschätzungen jetzt international zur Debatte stünden, aber vernachlässigbar seien Blue Jets für den Treibhauseffekt wohl nicht mehr. Dafür scheint ihr Effekt auf die globale Ozonschicht geringer zu sein als vermutet. Während die berechnete Lachgasproduktion deutlich höher ausfiel als erwartet, schien die Bildung von NO und NO2 aber eher unwichtig im Vergleich zu normalen Blitzen. Global könnten Blue Jets für maximal fünf Prozent des Ozonabbaus verantwortlich sein.

Ein wichtiger Faktor im Erdsystem?

Diese Effekte tragen zwar nicht zum Klimawandel bei, bei dem nur Änderungen im Gesamtsystem eine Rolle spielen. Aber die Studie hilft zu verstehen, wie der natürliche konstante Treibhauseffekt im Klimasystem entsteht. Stickstoffsubstanzen könnten zudem zur Bildung von Salpetersäure führen, die möglicherweise zum sauren Regen beiträgt – doch so weit will sich Winkler nicht aus dem Fenster lehnen.

Was den Wissenschaftlern jetzt fehlt, sind echte Messdaten. Die zu bekommen, ist schwierig: Es ereignet sich laut der Studie nur ein Blue Jet pro Minute – irgendwo auf der Erde. Das sei zwar deutlich öfter als bislang gedacht, aber Glück muss man dennoch haben, sie zu erhaschen. Außerdem fliege keiner freiwillig durch heftige Gewitter, fügt Winkler hinzu. Hoffnungsvoll erwartet er daher die Messdaten von ASIM, dem neuen Spektroskopie-Messinstrument auf der Internationalen Raumstation, das unter Leitung eines dänischen Unternehmens explizit für die TLE-Forschung entwickelt wurde.

Die ersten chemischen Auswirkungen von Sprites allerdings könnte ein japanisches Messinstrument auf der Internationalen Raumstation gemessen haben. Winkler beschäftigt sich gerade mit entsprechenden Modellierungen, was er auch auf der Deutschen Physikalischen Frühjahrstagung vorstellte. Die Schwierigkeit sei, dass viele chemische Prozesse parallel ablaufen und man die Messdaten und Modellierungen erstmal entwirren müsse. Aber er beteuert: »In Sprites werden sich auch Stickstoffradikale bilden, daran besteht kein Zweifel. Die Produktion von Lachgas wird aber wahrscheinlich deutlich geringer sein als in Blue Jets, weil Sprites nicht diese hohen Temperaturen haben.« Dafür entstünden in Sprites wohl Wasserstoffradikale wie zum Beispiel OH und HO2, die wiederum die Ozonchemie beeinflussen. Seine Kobold-Modellierungen mit den vermeintlichen Messdaten in Einklang zu bringen, wird ihn wohl noch länger beschäftigen.

Einen TLE mit eigenen Augen zu sehen, das habe er als Modellierer allerdings noch nicht probiert: »Ich gehe ja nicht raus», lacht er achselzuckend. Wer einen Blue Jet mit eigenen Augen erhaschen will, dem rät er, sich seitlich zu einem starken Gewitter zu begeben, um schräg über die Wolkendecke blicken zu können. Die blitzende Wolke sollte man abdecken, um nicht das schwächere Leuchten der Kobolde zu übersehen. Bei klarer Sicht über einem richtigen Gewitter am Horizont erscheinen sogar die schwerer zu erkennenden Kobolde wenige Zentimeter groß am Himmel.

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