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Gewitterforschung : Dem Geheimnis der Blitze auf der Spur

  • -Aktualisiert am

Auf der Jagd nach kosmischenTeilchen

Lofar umgeht diese Schwierigkeit, denn die Radioantennen haben keinen direkten Kontakt mit den Gewitterwolken. Dabei waren Gewitter für die Radioastronomen bislang nur ungeliebte Störenfriede. Sie machten ihre empfindlichen Messungen unbrauchbar. „Üblicherweise warfen wir Lofar-Messungen, die während eines Gewitters gemacht wurden, gleich weg. Sie waren einfach zu chaotisch“, sagt Pim Schellart.

Der „Superterb“ unweit von Exloo in den Niederlanden. In den eckigen Kästen sind die Antennen für die kurzwellige Radiostrahlung untergebracht. Dazwischen erkennt man die Drahtantennenfelder für den langwelligen Frequenzbereich.

Für seine Doktorarbeit untersuchte der Physiker Radiostrahlung, die von energiereichen kosmischen Teilchen ausgeht. Solche Partikeln, Atomkerne des Wasserstoffs und schwererer Elemente zumeist, stammen von Supernovaexplosionen und anderen exotischen Himmelsobjekten. Sie fliegen Lichtjahre weit durch das All, bis sie auf die Moleküle der irdischen Lufthülle treffen. Bei jeder Kollision entsteht ein Schauer aus vielen tausend Sekundärteilchen, der sich bis zum Erdboden ausdehnen kann. Weil sich diese Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, senden sie extrem kurze Radiopulse aus – und zwar genau in einem Frequenzbereich, in dem Lofars Low-Band-Antennen empfindlich sind: zwischen 30 und 80 Megahertz.

Verräterische Polarisation

Die während eines Gewitters aufgenommenen Daten der Radiostrahlung landeten allerdings nicht wirklich im Papierkorb, die Physiker analysierten sie nur nicht. Zum Glück, denn in Wirklichkeit waren die Messwerte gar nicht so chaotisch, wie Schellart und Falcke zunächst dachten. Untersuchten die Forscher die sogenannte Polarisation der Radiowellen, also die Richtung, in der die elektromagnetischen Wellen bevorzugt schwingen, zeigten sich auch während eines Gewitters bestimmte Muster: Bei ruhigem Wetter sei die Polarisation auf eine ganz bestimmte Richtung festgelegt, weil das Erdmagnetfeld die geladenen Teilchen des Luftschauers auf festgelegte Bahnen zwingt, erklären die Wissenschaftler in den „Physical Review Letters“. Während eines Gewitters aber kommt zusätzlich das elektrische Feld der Wolke ins Spiel: Das bewirkt, dass die Polarisation der Radiowellen bei manchen Gewittern senkrecht zur derjenigen bei ruhigem Wetter steht, bei anderen Gewittern eher wellenartig verläuft.

In diesen  Kästen sind die Antennen für die kurzwellige Radiostrahlung untergebracht.

Wodurch dieser Unterschied zustande kommt, ist noch unbekannt. Für den ersten der beiden Fälle versuchten die Physiker gemeinsam mit Gia Trinh und Olaf Scholten von der Universität Groningen, das zugehörige elektrische Feld der Wolke zu berechnen. Das gelang so gut, dass die Forscher sogar die Stärke dieses Feldes in bestimmten Höhen ermitteln konnten. Es erreichte demnach in drei bis acht Kilometern Höhe etwa 50.000 Volt pro Meter. Darunter nahm die Feldstärke stark ab. Aus den vermeintlich unbrauchbaren Lofar-Daten lassen sich also Informationen über die elektrischen Felder im Inneren von Gewitterwolken gewinnen.

Ein Radioteleskop besonderer Art

Dass Lofar sich auch für die Gewitterforschung eignet, ist dem besonderen Design des Teleskops zu verdanken, das sich markant von Antennen früherer Bauart unterscheidet. Diese funktionieren in der Regel wie Satellitenschüsseln, die Radiowellen reflektieren und auf einen Empfänger im Brennpunkt der Schüssel konzentrieren. Dabei sieht die Antenne nur solche Wellen, die aus der angepeilten Blickrichtung kommen. Für kosmische Luftschauer und damit für die Gewitterforschung sind sie damit kaum nutzbar, denn die Teilchenschauer tauchen in jeder beliebigen Himmelsrichtung urplötzlich und für Sekundenbruchteile auf. Lofars Antennen, die sich nicht bewegen lassen, registrieren stattdessen die gesamte Radiostrahlung, die vom ganzen sichtbaren Himmel eintrifft.

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