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Atmosphärenforschung : Blaue Strahlen und rote Kobolde

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Über manchen Gewitterwolken tut sich Eindrucksvolles: Diesen roten Kobold (links am Horizont) beobachteten Astronauten der Internationalen Raumstation vor vier Jahren beim Blick auf die Erde. Bild: Nasa

Über Gewitterwolken zeigen sich gelegentlich auffällige Leuchterscheinungen – mit unerwarteter Wirkung auf das Klima.

          Erst schenkte man ihrer Existenz kaum Glauben, dann hielt man sie für unwichtig, jetzt zeigen Atmosphärenforscher in einer Studie im „Journal of Geophysical Research“, dass bestimmte Gewitterphänomene in höheren Atmosphärenschichten doch zum globalen Treibhauseffekt beitragen können. Die Rede ist von einer elektrischen Entladung namens „Blue Jet“, einem blau-weißen Strahl in Trichterform. Für die Dauer eines Lidschlags schießt er wie eine Fontäne von der Wolkendecke aus bis in 40 Kilometer Höhe.

          Blue Jets sollen Millionen Tonnen an Stickstoffsubstanzen in der Atmosphäre deponieren, darunter Lachgas: „Das hat eine Lebensdauer von über hundert Jahren und ist ein deutlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid“, erläutert Holger Winkler, Koautor der Studie, vom Bremer Institut für Umweltphysik.

          Blue Jets sind nicht zu verwechseln mit ihren berüchtigten Vettern, den bereits früher entdeckten „Kobolden“. Schon lange rankten sich Gerüchte um ominöse Lichterscheinungen über Gewitterwolken. Piloten sahen für Sekundenbruchteile Figuren kilometergroß aufblitzen, deren rot-blaue Formen an Quallen oder Karotten erinnerten. Viele trauten ihren Augen kaum und schwiegen über ihr Erlebnis – wohl um in den regelmäßigen psychologischen Tauglichkeitsprüfungen ihrer Fluggesellschaften nicht für verrückt gehalten zu werden.

          Holger Winkler, Koboldforscher

          Erst ein 1989 aufgenommenes Zufallsfoto bewies ihre Existenz und erschuf ein neues Forschungsfeld. Inspiriert von ihrer flüchtigen und trügerischen Natur, tauften Wissenschaftler dieses Phänomen nach den von Shakespeare beschriebenen „Sprites“, auf Deutsch: Kobolde.

          Quelle für Ozonkiller?

          Seither wurden viele weitere Sprites und auch andere elektrische Gewitterentladungen über den Wolken entdeckt. Die Wissenschaftler fassen sie alle unter dem Namen „Transiente Lumineszenz-Ereignisse“ zusammen – kurz: TLE. Blue Jets und Kobolde gehören zu den prominentesten TLE, unterscheiden sich aber nicht nur äußerlich, wie Holger Winkler darlegt: Kobolde ereignen sich beispielsweise höher und leuchten rot-bläulich wegen ihrer „kalten“ Plasmafilamente, in denen Stickstoff (N₂) angeregt ist. Blue Jets senden zwar auch solche „kalten“ Glühfäden aus Plasma aus, sie haben aber zusätzlich einen etwa 3000 Grad heißen Plasmakanal. „Der Hochtemperaturbereich in Blue Jets ist der große Unterschied zu Sprites – dort laufen entsprechend andere Reaktionen ab“, erklärt Winkler, der sich selbst gerne verschmitzt lächelnd als „Koboldforscher“ bezeichnet.

          In Deutschland ist er der einzige. Weltweit untersucht nur eine Handvoll Forscher, wie sich TLE auf die Atmosphärenchemie auswirken. Man hielt Blue Jets lange für vernachlässigbar, da man zunächst nichts von ihren heißen Plasmakanälen wusste, in denen sich Stickstoffsubstanzen bilden. Gewöhnliche Gewitterblitze haben ebenfalls heiße Plasmakanäle, daher weiß man, dass sie eine Quelle von Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO₂) sind. Solche Substanzen beeinflussen unsere Ozonschicht, die uns wiederum vor harter ultravioletter Strahlung schützt.

          In einer vorangegangenen Studie zeigte Winkler, dass ein Blue Jet zu einem lokalen Ozonabbau führen kann. Um auch großmaßstäbliche Effekte zu untersuchen, nutzten die Autoren erstmalig ein globales „Klima-Chemie-Modell“, das einiges leistet: „Es muss erst mal die Reaktionen aller Substanzen untereinander durchrechnen“, erläutert Winkler. „Dann muss es noch Transportprozesse berücksichtigen, weil die Gase durch Wind und Diffusion hin und her bewegt werden. Und schließlich muss es noch Heizraten berechnen. Das heißt, man untersucht, wie das Sonnenlicht durch die Atmosphäre tritt: Was wird wo absorbiert, was wird reflektiert von Wolken? Das sind komplexe Modelle, die entsprechend rechenintensiv sind.“

          Pro Minute einmal irgendwo auf der Welt

          Wochenlang berechnete ein Supercomputer, wie sich die freigesetzten Treibhausgase über Jahre in der Atmosphäre verteilen und wo sie sich anreichern. Ergebnis: Die Bildung von NO und NO2 ist zwar eher unwichtig im Vergleich zu normalen Blitzen – global könnten Blue Jets den Ozonabbau nur zu maximal fünf Prozent verantworten. Aber sie bilden deutlich mehr Lachgas (N₂O), als bislang angenommen: Insgesamt könnten Blue Jets jedes Jahr sogar bis zu 3,8 Millionen Tonnen in die Luft injizieren: rund 20 Prozent der natürlichen Gesamtquellen. Winkler räumt ein, dass diese allerersten Abschätzungen nun zur internationalen Debatte stehen, doch vernachlässigbar sind Blue Jets wohl nicht.

          Das Ergebnis hat zwar keine Bedeutung für den Klimawandel, der Änderungen im Gesamtsystem beschreibt. Aber die Studie hilft zu verstehen, wie der natürliche konstante Treibhauseffekt im Klimasystem entsteht. Die Autoren fanden auch heraus, dass Blue Jets häufiger auftreten als gedacht: einer pro Minute – irgendwo auf der Welt. Wer einen davon mit eigenen Augen erhaschen will, braucht aber Glück. Koboldforscher Winkler rät dem, der es versucht, sich schräg zu einem starken Gewitter zu begeben, um über die Wolkendecke zu blicken. Selbst habe er es allerdings noch nicht probiert, er sei ja Modellierer. Seinen Beitrag zu diesem jungen Forschungsfeld, das über den Wolken noch viele grundlegende Fragen offenhält, liefert er daher im Büro am Computer.

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