Blitze entstehen anders als gedacht, das zeigt ein Laserexperiment
Einzelpartikel im Laser liefern neue Hinweise auf den Blitzursprung. Mikroentladungen könnten den ersten Funken erklären.
Blitze zucken über den Himmel – ein Naturphänomen, dessen Ursprung noch immer Rätsel birgt. Neue Laserexperimente zeigen, dass Mikroentladungen in winzigen Partikeln frühere Modelle infrage stellen.
Foto: Smarterpix / stnazkul
Blitze gehören zu den energiereichsten Phänomenen der Atmosphäre. Trotzdem ist bis heute nicht vollständig klar, wie der erste Funke entsteht. Ein Team am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) liefert nun ein Experiment, das eine offene Lücke in der Blitzforschung schließt: Winzige Aerosolpartikel lassen sich mit Lasern nicht nur einfangen, sondern auch gezielt elektrisch aufladen. Und diese Ladungsdynamik zeigt Muster, die auf neue Mechanismen der Blitzerzeugung hindeuten könnten.
Das Ergebnis: Die in vielen Modellen angenommene elektrische Feldstärke in einer Wolke reicht für den Start eines Blitzes eigentlich nicht aus. Die Beobachtungen mit den Laserpartikeln legen jedoch nahe, dass Mikroprozesse an Eiskristallen eine größere Rolle spielen, als bislang angenommen.
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Ein Laser hält ein Partikel und lädt es gleichzeitig auf
Am ISTA hat die Doktorandin Andrea Stöllner gemeinsam mit einem Team um Scott Waitukaitis und Caroline Muller eine Methode entwickelt, bei der zwei Laserstrahlen ein einzelnes Partikel in der Luft fixieren – eine sogenannte optische Pinzette. Dieses Teilchen ist ein rund ein Mikrometer kleines Siliziumdioxid-Kügelchen, das als Modell für Eiskristalle dient.
Schauen wir uns den Versuchsaufbau an: Ein vibrationsgedämpfter Tisch, Spiegel zur Ablenkung der Strahlen und eine Kammer, in der zwei grüne Laserstrahlen exakt zusammengeführt werden. Dort entsteht eine Lichtfalle, in der das Partikel „schwebt“.
Stöllner beschreibt den Moment, als sie zum ersten Mal ein Partikel stabil einfing: „Als ich zum ersten Mal ein Teilchen eingefangen habe, war ich überglücklich.“ Damals hielt das Partikel nur drei Minuten. Heute bleibt es wochenlang stabil.
Unerwarteter Befund
Eigentlich sollte der Versuch klären, wie Feuchtigkeit oder elektrische Felder die Ladung eines Aerosols verändern. Doch bald zeigte sich, dass der Laser selbst die Partikel auflädt. Die Ursache: Ein quantenmechanischer Effekt.
Der Zwei-Photonen-Prozess
Zwei Photonen aus dem grünen Laser treffen nahezu gleichzeitig auf das Partikel. Dadurch:
- wird ein Elektron aus seiner Bindung gelöst,
- das Partikel erhält eine positive Ladung,
- und es lädt sich weiter auf – Schritt für Schritt.
Das Team konnte diese Ladung mit Sub-Elektron-Präzision messen. Grundlage ist ein spezielles Verfahren, das in der Studie ausführlicher beschrieben wird: Das Partikel wird mit einem Wechselspannungsfeld minimal „geschüttelt“, und aus der Stärke dieser Schwingungen lässt sich die Ladung bestimmen.
Ladungsaufbau folgt keinem einfachen Schema
Normalerweise würde man erwarten, dass sich ein geladenes Objekt irgendwann stabilisiert. Doch das passiert hier nicht. Die Ladung wächst weiter – bis irgendwann die Luft um das Partikel elektrisch durchschlägt.
Aus der Studie geht hervor:
- Ein Partikel erreicht maximal etwa 250 Elementarladungen,
- danach kommt es zu Mikroentladungen,
- diese ähneln Miniaturversionen dessen, was in Gewitterwolken passieren könnte.
Diese Mikroentladungen sind spannend: Meteorologische Studien vermuten schon lange, dass solche Mikroprozesse den ersten Schritt eines Blitzes ermöglichen.
Was bedeutet das für die Blitzforschung?
Gewitterwolken bestehen aus einer Mischung aus kleinen Eiskristallen, größeren Körnern und Wassertröpfchen. Wenn diese kollidieren, tauschen sie Ladungen aus. Die gängigen Modelle gehen davon aus, dass sich dadurch getrennte Ladungsschichten bilden. Doch viele Messungen zeigen: Die elektrischen Felder in Wolken sind eigentlich zu schwach, um Blitze zu zünden.
Stöllners Beobachtungen könnten dieses Problem lösen. „Unsere Modell-Eiskristalle zeigen Entladungen. Vielleicht steckt noch mehr dahinter.“ Entscheidend ist: Schon extrem kleine Partikel entladen sich spontan, wenn sie genügend positive Ladung tragen. Solche Mikroentladungen könnten in Wolken eine Art Vorfunken erzeugen – ein Prozess, der bisher kaum messbar war.
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