Inzicht in de werking van bliksem
Een heldere flits, een luide knal en zwaar gerommel: onweer is een fascinerend, en misschien ook een beetje een beangstigend, weersverschijnsel. Hoewel er altijd onweer is geweest, bleef onderzoek naar de werking van bliksem lange tijd beperkt. Brian Hare en zijn collega’s (Kapteyn Instituut, Faculty of Science and Engineering) zorgen echter voor belangrijk doorbraken in bliksemonderzoek. Hoe? Door gebruik te maken van LOFAR, de grote radiotelescoop van ASTRON.
Tekst: Thomas Vos, Corporate Communicatie RUG / Foto’s: Henk Veenstra
LOFAR
Na zijn promotieonderzoek kwam Hare in 2017 naar Groningen, waar hij in dienst kwam van hoogleraar natuurkunde Olaf Scholten. Hare: ‘Professor Scholten had destijds een bijzonder idee: hij wilde LOFAR, een grote, voor astronomen ontworpen radiotelescoop met duizenden, hoofdzakelijk in Nederland geplaatste antennes, gebruiken om bliksem te bestuderen. Hij beweerde zelfs dat we met LOFAR tot op de meter nauwkeurige observaties konden realiseren. Veel mensen hielden dit niet voor mogelijk omdat de meeste bliksemsystemen met een minimale nauwkeurigheid van honderd meter konden meten. Ik wist dat LOFAR goed was, maar realiseerde me niet dat het tot op de meter nauwkeurig zou kunnen zijn. Inmiddels kunnen we bliksemactiviteit meten met een nauwkeurigheid van minder dan een meter.’
Scherpe pulsen van radiostraling
Hoe werkt het? LOFAR is een grote verzameling eenvoudige antennes, vergelijkbaar met sprietantennes op auto’s, die radiosignalen oppikken. Elke antenne afzonderlijk verschaft weinig informatie, maar ze zijn gebundeld in stations, waarvan er veel zijn. Al die stations tezamen vormen een geavanceerde en krachtige telescoop. Hare: ‘Naarmate een bliksemschicht in de lucht groeit, geeft hij miljoenen scherpe pulsen van radiostraling af. Hoe dichter de antenne bij de bliksem staat, hoe sneller die deze straling zal oppikken. Door die aankomsttijden te meten en de juiste algoritmes te gebruiken, kunnen we precies zien waar dit signaal vandaan komt. We proberen voor zo veel mogelijk pulsen de aankomsttijden te meten. Zo kunnen we een 3D-model van alle soorten bliksemschichten maken.’
Inkijkje in de wolken
Hare en zijn collega’s konden hierdoor in het plasma van bliksem kijken, iets wat tot dan toe onmogelijk was vanwege technologische beperkingen. Hare: ‘In het verleden werd voor onderzoek naar bliksem veel gebruikgemaakt van hogesnelheidscamera’s. Heel cool, maar je kunt er niet mee in de wolken kijken. Radiogolven gaan echter dwars door wolken heen. Je kunt immers op een bewolkte dag toch gewoon naar de radio luisteren. LOFAR geeft ons hierdoor een uniek inzicht in bliksem. De meeste dingen die we binnen onze onderzoeksgroep doen, zijn volkomen nieuw.’
Zoals lampjes in een kerstboom
Een van de grote ontdekkingen die Hare en zijn collega’s deden, is een bliksemproces dat zij ‘naalden’ noemen. Hare legt uit: ‘Een bliksemschicht heeft negatief en positief geladen uiteinden. Dit zijn plasmakanalen die wij 'leaders’ noemen, en ze breiden zich uit door de lucht. De negatieve uiteinden zijn gemakkelijk waar te nemen met radioantennes. De positieve niet. Ze werden wel opgepikt, maar we wisten niet precies wat we zagen. Zagen we nu de groei van het positieve leaderkanaal of een ander proces? Dankzij LOFAR konden we dieper graven en structuren langs het positieve leaderkanaal waarnemen, dingen die zijwaarts uitstaken, zoals naalden aan een tak. Het unieke is dat de dingen die we nu naalden noemen pas ontstonden na het moment waarop we verwachtten dat de bliksemschicht zich zou vertakken. Ze ontstonden meerdere keren en knipperden met een regelmatig interval van 5 milliseconden. Een beetje zoals lampjes in een kerstboom.’
Negatieve lading die weg beweegt van positieve lading
Volgens Hare is dit een unieke vondst: ‘Een bliksemschicht volgt een bepaald pad, maar slechts heel af en toe gaat het opnieuw door dat pad heen. Het gebeurt niet vaak. Dus waarom verandert lucht bij de naalden meerdere malen in plasma? We reconstrueerden het plasmakanaal op basis van onze metingen van de naalden. De naalden zijn afkomstig van een positief geladen kanaal, waarvan we de uitbreiding doorgaans niet kunnen zien. Het feit dat we de naalden kunnen zien, geeft aan dat ze negatief geladen zijn. Dat betekent dus dat negatieve lading weg beweegt van positieve lading. Dit klopt niet: negatief zou naar positief moeten bewegen, zoals de meesten van ons wel weten. Dit verbaasde ons enorm.’
Kanaal dat van lading wisselde
Uiteindelijk ontdekten Hare en zijn collega’s, nadat ze verschillende hypothesen hadden getest, wat er gebeurde: het kanaal wisselde van lading. Hare: ‘De positieve leader, die aan het uiteinde nog positief is, verliest geleiding verder terug langs het kanaal. Hij geleidt geen elektrische stroom meer. Daardoor gaat hij negatieve lading opbouwen. Die moet hij vervolgens op de een of andere manier kwijt, en dat gebeurt via die naalden. Andere onderzoeksgroepen toonden vervolgens niet alleen aan dat die naalden inderdaad bestaan, maar ook dat onze hypothese juist is. Dit was onze eerste ontdekking, en daarmee zetten we onszelf op de kaart.’
Dart leaders
Hare bouwt dit onderzoek ondertussen verder uit. Zo heeft hij veel gegevens verzameld over dart leaders, sterke bliksempulsen die langs een reeds bestaand bliksempad optreden. Dit heeft geleid tot nieuwe hypothesen. Hare: ‘Er is daar iets dat het plasma opwarmt en ervoor zorgt dat het zich langs het kanaal kan uitbreiden. De onderzoeker die met dit idee kwam, noemt dit een ‘thermische golf’. Dit is nog niet definitief bewezen, maar we denken wel in deze richting. Het is best cool om nieuwe mogelijkheden als deze te ontdekken, om echt te begrijpen hoe en waarom bliksem werkt zoals hij werkt.’
Nog verder in bliksem duiken
Met de ontwikkeling van een nieuwe, grotere verzameling antennes in Zuid-Afrika en Australië, SKA-low, hoopt Hare nog meer ontdekkingen te doen: ‘Het voordeel van SKA-low ten opzichte van LOFAR is de enorme toename van het frequentiebereik. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de resolutie. In theorie zouden we daardoor de fysica van bliksem op nog kleinere schaal kunnen bestuderen. We kunnen nog verder in de kernprocessen duiken die bliksem veroorzaken.’ Het mag dan niet zo spectaculair zijn als een raket die bliksem veroorzaakt, maar zal het onderzoek naar bliksem absoluut naar een hoger niveau tillen.