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Gewitterforschung : Dem Geheimnis der Blitze auf der Spur

  • -Aktualisiert am

Ein Gewitter tobt vor Westerhever (Schleswig-Holstein) über der Nordsee. Bild: dpa

Wie entsteht ein Gewitterblitz? Noch immer fehlt eine überzeugende Antwort. Hilfe kommt jetzt von Astronomen: Ein neuartiges Radioteleskop blickt nicht nur zu den Sternen, sondern fortan auch in das Innere von Gewitterwolken.

          Irgendwo auf der Erde blitzt es immer. Bis zu einhundert Mal pro Sekunde, fast zehn Millionen Mal am Tag. Die meisten Gewitter gehen in tropischen Breiten nieder, doch nur jeder zehnte Blitz trifft tatsächlich den Erdboden. Waren früher Blitze eine Gefahr für Leib und Leben, so ist es heute  veränderten Lebensgewohnheiten  - nur eine Minderheit der Menschen in den Industrieländern arbeitet heute noch unter freiem Himmel – zu verdanken, dass die Zahl der Todesopfer durch Blitzeinschläge seit dem 19. Jahrhundert von mehreren hundert pro Jahr auf weniger als zehn zurückgegangen ist. Gebäude werden heute durch Blitzableiter geschützt.

          Ihn erfand schon Mitte des 18. Jahrhunderts der amerikanische Naturforscher, Diplomat und Gründervater der Vereinigten Staaten Benjamin Franklin. Mit einem metallisierten Flugdrachen hatte er gezeigt, dass Gewitterblitze sichtbar gewordene Elektrizität sind und damit ein beherrschbares Naturphänomen. Ob er selbst einen Drachen in eine Gewitterwolke hat steigen lassen, ist unter Historikern umstritten. Er hätte den Versuch womöglich nicht überlebt. Den deutschbaltischen Naturforscher Georg Wilhelm Richmann, von Franklin zu einem ähnlichen Experiment inspiriert, traf beim Ablesen seiner Messapparatur der Blitz. Er bezahlte seinen Forscherdrang mit dem Leben.

          Wie entstehen eigentlich Gewitterblitze?

          Um Leib und Leben sorgen sich Franklins Nachfolger heute weniger, dafür um ihre empfindlichen Instrumente und Supercomputer. „Meines Wissens hat noch kein Blitz der Superterp getroffen“, meint Heino Falcke von der Radbout-Universität in den Niederlanden. Das wäre auch nicht wünschenswert: Der „Superterp“ ist der Kern eines sich über fast ganz Europa erstreckenden Netzwerks von Radioantennen mit dem Namen „Low Frequency Array“, kurz Lofar. Für Gewitter interessiert sich Falcke erst seit kurzem, normalerweise blicken er und seine Kollegen tief ins Universum. Lofar ist ein Radioteleskop der neuesten Generation: Es untersucht zum Beispiel explodierende Sterne und Schwarze Löcher. Doch Lofar ist womöglich auch das Werkzeug, das endlich eine Antwort auf eine Frage liefern kann, die seit Franklin auf eine Antwort wartet: Wie entstehen eigentlich Gewitterblitze?

          Das Bild zeigt „Franklin`s Experiment, June 1752“, das 1876  von Currier & Ives veröffentlicht wurde. Das Original befindet sich in der Congress-Bücherei in Washington.

          Zwar wissen Meteorologen heute in etwa, durch welche Prozesse sich elektrische Ladungen in auftürmenden Gewitterwolken trennen. Völlig unklar sei aber, wie die für eine Blitzentladung erforderlichen elektrischen Feldstärken entstehen, sagt Ute Ebert vom Centrum Wiskunde & Informatica in Amsterdam: „Auf rund drei Millionen Volt pro Meter müsste sich die elektrische Energie zur klassischen Zündung einer Blitzentladung konzentrieren.“ Das ist etwa zehnmal so viel, wie man bisher in Wolken gemessen hat. Entstehen solch hohe Feldstärken überhaupt in der Natur? Nicht einmal das ist sicher: Praktisch unser gesamtes Wissen über elektrische Felder in Gewitterwolken stamme bislang von unbemannten Messballons, erklärt die Gewitterforscherin. Ballons sind nicht steuerbar – wo gemessen wird, entscheidet allein der Wind. Vereinzelt werden Messungen auch mit Forschungsflugzeugen vorgenommen. Dabei wird das elektrische Feld der Wolke allerdings zusätzlich durch die Aufladung des Flugzeuges beeinflusst, und die beeinflusst wiederum das elektrische Feld in ihrer Umgebung. Ob und wie das gemessene Feld also durch den Versuch der Messung selbst verändert wurde, weiß niemand so genau.

          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.

          Superterb-Drahtantennen für den niederfrequenten Frequenzbereich

          Jede Lofar-Station besteht aus 96 Antennen für besonders langwellige Radiostrahlung zwischen 30 und 80 Megahertz sowie 48 Antennen für einen kurzwelligeren Bereich. Der Superterp bei Exloo in den Niederlanden besteht aus 24 dieser Stationen, hinzu kommen 22 weitere über mehrere Länder Europas verteilte Stationen, fünf davon stehen in Deutschland. Alle zusammen sind miteinander vernetzt. „Phased array“ heißt das Zauberwort: Die von sämtlichen Antennenstationen aufgezeichneten Daten werden gespeichert. Doch „ausgerichtet“ wird das Teleskop in der Regel erst lange nach der eigentlichen Messung. Es ist, als ob man alle Gespräche in einem vollbesetzten Festsaal mit Mikrofonen aufzeichnen würde, um hinterher einzelne Stimmen und deren Herkunft zu identifizieren.

          Der Anfang eines neuen  Forschungsfeldes

          Mit den von allen Lofar-Antennen pro Sekunde gesammelten Daten könnte man mehrere DVDs beschreiben. Die Verarbeitung dieser Datenmenge beschäftigt einen Supercomputer vom Typ Blue Gene/P. Der IBM-Großrechner, ebenfalls in den Niederlanden beheimatet, verarbeitet die Datenflut zu Bildern, die dank der Verteilung der Stationen über mehrere Länder eine besonders hohe Schärfe erreichen. Rein äußerlich hat eine Lofar-Station mit einem klassischen Radioteleskop nicht viel gemein: Die 96 Niederfrequenzantennen bestehen aus Gestellen aus Metallstangen und Drähten.

          Bis Lofar regelmäßig für die Gewitterforschung genutzt werden kann, bleibt aber noch einiges zu tun. Die erste erfolgreiche Messung eines elektrischen Gewitterfeldes ist zwar ein wichtiger Schritt, noch können die Forscher aber nicht sagen, welche Feldstärke für einen bestimmten Blitz verantwortlich gewesen war. Dazu muss man die Lofar-Daten zunächst mit meteorologischen Messungen kombinieren. Zumindest zeigen die ersten Messungen, dass das registrierte elektrische Feld deutlich schwächer war als nach der klassischen Modellvorstellung. Damit bleibt die Frage, wie Blitze entstehen, vorerst noch offen. Immerhin gibt es Lösungsansätze: „Eine Denkrichtung geht davon aus, dass eine Wolke nicht leer ist: Sie enthält Tröpfchen und Eisteilchen, und die könnten durch ihre hohe Dielektrizitätskonstante das elektrische Feld lokal verstärken“, erklärt Ebert.

          Noch viele Fragen offen

          Und dann gibt es noch die Theorie, der zufolge die kosmischen Teilchen, die Lofar für die Untersuchung der Gewitterwolken nutzt, die Blitze selbst auslösen. Die Kaskade energiereicher Sekundärteilchen der Luftschauer ionisiert die Luft und könnte damit die für die Zündung eines Blitzes erforderliche Feldstärke lokal herabsetzen. Die Felder müssten keine Millionen Volt pro Meter erreichen, einige hunderttausend könnten genügen. Der russische Physiker Alexander Gurevich vom Moskauer Lebedew-Institut formulierte diese Idee schon 1992, doch sie ist umstritten. Ihr größter Schönheitsfehler: Es treffen längst nicht genug kosmische Teilchen ausreichender Energie auf eine typische Gewitterwolke. Lofar registrierte etwa eines pro Stunde, zu wenig im Vergleich zu den vielen Blitzen, die schon aus einer einzigen Wolke zucken.

          Die Antwort liege womöglich in der Mitte, meint Ute Ebert. Mit ihrer Arbeitsgruppe arbeitet sie an einem kombinierten Modell, das sowohl Eisteilchen und Wassertröpfchen als auch kosmische Teilchenstrahlung enthält. Welche Idee am Ende zutrifft – mit Lofar haben Gewitterforscher ein Instrument in der Hand , sie direkt zu überprüfen. Um die elektrische Natur der Gewitterblitze zu beweisen, genügte Benjamin Franklin ein einfacher Flugdrachen. Er hätte nie geahnt, welcher Aufwand nötig sein würde, um das Geheimnis der Blitze endgültig zu lösen.

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