Elektrisches Blätterdach: Forscher lösen ein Jahrhundert-Rätsel
Forschende messen erstmals Korona-Entladungen an Blattspitzen im Gewitter. Was das für Bäume und Atmosphäre bedeutet.
Gewitter lassen Baumkronen elektrisch leuchten. Korona-Entladungen jetzt erstmals im Feld nachgewiesen.
Foto: Smarterpix / shufilm
Gewitter sind elektrische Großereignisse. Dass Blitze Bäume treffen, ist bekannt. Weniger klar war bislang, was in den Sekunden vor einem Einschlag im Blätterdach geschieht. Seit fast 100 Jahren vermuten Forschende schwache elektrische Entladungen an Pflanzen, sogenannte Koronen. Jetzt liegen erstmals direkte Messungen aus freier Natur vor.
Ein Team um den Meteorologen Patrick McFarland von der Pennsylvania State University hat im Sommer 2024 Korona-Entladungen an Bäumen entlang der US-Ostküste beobachtet. „Diese Dinge passieren tatsächlich; wir haben sie gesehen; wir wissen jetzt, dass sie existieren“, sagte McFarland. „Endlich konkrete Beweise dafür zu haben, ist meiner Meinung nach das Schönste daran.“
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Unsichtbare Funken im UV-Bereich
Korona-Entladungen sind keine Blitze. Es handelt sich um schwache elektrische Entladungen in starkem elektrischem Feld. Sie entstehen bevorzugt an spitzen Strukturen. Dazu zählen Antennen, Kirchturmspitzen – und Blattspitzen.
Physikalisch funktioniert das so: Die Ladung eines Gewitters induziert eine entgegengesetzte Ladung im Boden. Diese wandert entlang leitfähiger Strukturen nach oben. An den höchsten Punkten, etwa an Blattspitzen, wird die elektrische Feldstärke lokal so groß, dass Luft ionisiert wird. Es kommt zur Korona. Im Labor zeigt sie sich als bläuliches Leuchten.
„Wenn man im Labor alle Lichter ausschaltet, die Tür schließt und die Fenster verdeckt, kann man die Koronen gerade noch erkennen. Sie sehen aus wie ein blaues Leuchten“, sagte McFarland.
Im Freiland ist dieses Leuchten für das menschliche Auge zu schwach. Die Forschenden wichen deshalb auf Ultraviolett-Kameras aus. Koronen senden charakteristische UV-Strahlung aus. Diese lässt sich detektieren, selbst wenn sichtbares Umgebungslicht die Entladung überstrahlt.
Sturmjagd im Minivan
Für die Messkampagne rüstete das Team einen 2013er Minivan mit Messinstrumenten aus. An Bord waren ein elektrischer Felddetektor, eine mobile Wetterstation, ein Laser-Entfernungsmesser und eine UV-Kamera, die über ein Dachperiskop auf Baumkronen gerichtet wurde.
„Wir mussten einen der Sitze herausnehmen und diese vibrationsdämpfenden Polster einbauen, damit unsere Instrumente während der Fahrt nicht hin und her hüpften“, sagte McFarland. „Am meisten Spaß hat es gemacht, mit einer Stichsäge ein 30 cm großes Loch in das Dach zu schneiden. Das hat den Wiederverkaufswert völlig ruiniert, aber das ist okay.“
In Pembroke, North Carolina, richteten sie die Kamera auf Äste eines Amberbaums. Innerhalb von 90 Minuten registrierten sie 41 Koronen an Blattspitzen. Die UV-Signale traten clusterweise auf. Sie bewegten sich mit den im Wind schwankenden Zweigen. Einzelne Entladungen dauerten bis zu 3 Sekunden und sprangen von Blatt zu Blatt.
Ähnliche Muster fanden sie an einer Loblolly-Kiefer sowie bei weiteren Stürmen zwischen Florida und Pennsylvania. Die Baumart spielte offenbar keine entscheidende Rolle. Auch die Intensität des Gewitters variierte.
Koronen können Gewebe schädigen
Koronen sind nicht nur ein atmosphärischer Nebeneffekt. Sie können Gewebe schädigen. Bereits Studien aus den 1960er Jahren zeigten, dass starke elektrische Felder Zellmembranen beeinträchtigen und Chloroplasten schädigen können. Chloroplasten sind die Organellen, in denen die Photosynthese abläuft.
Die aktuellen Beobachtungen bestätigen zudem sichtbare Verbrennungen an Blattspitzen. Innerhalb von Sekunden entstehen kleine, verbrannte Areale. Diskutiert wird auch eine Schädigung der Cuticula. Diese wachsartige Schicht schützt Blätter vor UV-Strahlung und Austrocknung.
Ein einzelnes Ereignis dürfte kaum relevant sein. Doch unter einem Gewitter können Dutzende bis Hunderte Blätter pro Krone betroffen sein. Tritt das bei mehreren Stürmen pro Saison auf, summiert sich die Belastung.
Haben Bäume Strategien zur Begrenzung von Schäden entwickelt?
McFarland vermutet, dass Bäume im Lauf der Evolution Strategien entwickelt haben könnten, um solche Schäden zu begrenzen. Denkbar sind Anpassungen in der Blattgeometrie, Leitfähigkeit oder in der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche.
„Das ist wirklich das, was ich als Nächstes tun möchte: herausfinden, welche Auswirkungen dies auf den Baum selbst und auf den Wald als Ganzes hat“, sagte er.
Die Ergebnisse werfen auch eine atmosphärische Frage auf. Korona-Entladungen produzieren Ionen und reaktive Moleküle. In großem Maßstab könnten sie lokale chemische Prozesse in der Grenzschicht zwischen Wald und Atmosphäre beeinflussen. Bisher fehlen dafür belastbare Daten.
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