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Phänomen Kugelblitz : Scharfer Blick in den Feuerball

  • -Aktualisiert am

Künstlicher Kugelblitz über einer Wasseroberfläche im Labor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik Bild: IPP

Chinesische Forscher beobachten einen Kugelblitz in der Natur. Dessen Lichtspektren sprechen für eine ganz und gar irdische Ursache des seltsamen Phänomens.

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          Obwohl man Gewitter und elektrische Entladungen seit langem intensiv erforscht, geben die Kugelblitze den Wissenschaftlern noch immer Rätsel auf. Diese schwebenden Feuerkugeln sind gar nicht so seltene Erscheinungen, was durch Tausende Augenzeugenberichte belegt wird, doch wissenschaftliche Beobachtungen gibt es kaum. Auch waren die Versuche, sie im Labor zu erzeugen, lange Zeit erfolglos geblieben. Erst die Vermutung, dass bei manchen dieser Blitze Nanoteilchen aus Silizium eine Rolle spielen, brachte eine Wende. Jetzt berichten chinesische Forscher, dass sie bei einem Gewitter die Entstehung und Entwicklung eines Kugelblitzes gefilmt haben, in dessen Inneren sie Spuren von Silizium fanden.

          Meist werden Kugelblitze nach Blitzeinschlägen beobachtet. Ihre Größe reicht von wenigen Zentimetern bis zu einem Meter. Sie leuchten rot, orange oder gelb mit der Helligkeit einer 60-Watt-Glühbirne. Dabei bewegen sie sich mit einigen Metern pro Sekunde schwebend durch die Luft. Treffen sie auf ein Hindernis wie eine Glasscheibe oder ein dünnes Metallblech, so durchqueren sie es bisweilen, ohne Spuren zu hinterlassen. Nach einer Zeit von bis zu zehn Sekunden verschwindet solch eine Feuerkugel lautlos oder mit einem leisen Geräusch.

          Viele Theorien - kaum handfeste Beweise

          Zur Erklärung des Phänomens wurden viele Theorien aufgestellt, von denen einige recht abenteuerlich klingen. So hat man spekuliert, dass hinter den Feuerkugeln gebündelte kosmische Strahlen, Meteorite aus Antimaterie oder sogar winzige Schwarze Löcher stecken. Naheliegender ist die Vermutung, dass es sich dabei um Kugeln aus Plasma oder heißen ionisierten Gasen handelt, die durch starke elektromagnetische Felder erzeugt und dann zusammengehalten werden. Allerdings ist unklar, wie die dafür benötigten Felder zustande kommen.

          Eine Theorie, die einen Teil der beobachteten Kugelblitze plausibel erklärt, hatten John Abrahamson und James Dinniss von der University of Canterbury in Neuseeland vor vierzehn Jahren geliefert. Sie nahmen an, dass durch die beim Blitzeinschlag in den Erdboden freiwerdende Energie Nanoteilchen aus Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumkarbid entstehen, die sich zu einem feinen Gespinst verbinden. Anschließend werden die Partikel durch den Luftsauerstoff oxidiert, wobei Licht und Wärme entstehen, so dass das dahinschwebende Gespinst leuchtet. Dass an dieser Theorie etwas dran ist, zeigten Experimente, bei denen durch Funkeneinschlag in einen Siliziumwafer zentimetergroße leuchtende Kugeln entstanden, die Kugelblitzen ähnelten.

          Mit Kamera und Spektrometer auf Blitzjagd

          Jetzt hat diese Theorie Rückendeckung durch eine aufsehenerregende Beobachtung bekommen. Im Juli 2012 hatten Ping Yuan und seine Kollegen von der Universität in Lanzhou auf dem Qinghai-Plateau mit einer Videokamera und einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Blitzeinschlägen Ausschau gehalten. Dabei hatten sie zufällig die Entstehung und Entwicklung eines Kugelblitzes gefilmt. Die Kameras waren an einen Spektrographen angeschlossen, der das empfangene Licht in seine Farbbestandteile zerlegte und ein Spektrum erzeugte. Dadurch konnten die Forscher verfolgen, wie der Kugelblitz seine Farbe änderte.

          Wie Yuan und seine Kollegen nun in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (doi: 10.1103/PhysRevLett.112.035001) berichten, war auf den Filmaufnahmen zunächst ein Blitzkanal zu erkennen, an dessen Einschlagstelle sich innerhalb einer Millisekunde eine leuchtende Kugel bildete. Während der herkömmliche Blitz sogleich wieder verschwand, bewegte sich die Kugel von der Einschlagstelle fort, etwa so schnell wie ein 100-Meter-Sprinter. Ihre Helligkeit nahm zunächst schnell ab, blieb dann etwa eine Sekunde lang weitgehend konstant, bis die Kugel schließlich innerhalb von Sekundenbruchteilen verlosch. Dabei änderte die etwa ein Meter große leuchtende Kugel ihre Farbe von Lila über Orange und Weiß nach Rot.

          Verräterische Spektrallinien

          Die mit der Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichneten Lichtspektren enthielten charakteristische Spektrallinien, die von bestimmten Atomen herrührten. So ließ sich erkennen, dass der etwa dreißigtausend Grad heiße Blitzkanal ionisierte Stickstoffatome enthielt, die jeweils zwei Elektronen verloren hatten. Im Kugelblitz hingegen leuchteten vor allem ionisierte Atome der Elemente Silizium, Eisen und Kalzium, denen jeweils ein Elektron fehlte. Beim Einschlag des Blitzes in den Boden waren diese Atome verdampft. Offenbar war der Kugelblitz nicht ganz so heiß wie der Blitzkanal. Seine exakte Temperatur konnten die Forscher indes nicht bestimmen.

          Der beobachtete Kugelblitz war nach Aussagen der Forscher eine heiße, leuchtende Wolke, die Silizium und andere Atome aus dem Erdreich enthielt. Dies stünde im Einklang mit der Theorie von Abrahamson und Dinniss, die dem Silizium aus dem Erdboden die entscheidende Rolle beim Auftreten des Kugelblitzes zuweist. Ping Yuan und seine Kollegen wollen nun im Labor künstliche Kugelblitze erzeugen, indem sie die in der Natur vorgefundenen Bedingungen nachbilden.

          Sie vermuten, dass es durchaus mehrere Arten von Kugelblitzen geben könnte, die sich nicht alle mit derselben Theorie erklären lassen.

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