Innenleben von Gewitterwollen 29.04.2015, 14:59 Uhr

Mit Radioteleskopen den Blitzen auf der Spur

Eigentlich lauschen sie unentwegt in die Weiten des Weltraums, um Sternengeburten, schwarze Löcher und Quasare aufzuspüren: Radioteleskope sind für Astronomen ein erprobtes Ohr zur kosmischen Forschung. Jetzt zeigt sich: Mit diesen Messanlagen für kosmische Strahlung können Gewitter besser vorhergesagt und die Entstehung von Blitzen endlich verstanden werden.

Ein Blitz erleuchtet in der Nacht über Nürnberg den Himmel. 

Ein Blitz erleuchtet in der Nacht über Nürnberg den Himmel. 

Foto: Sven Grundmann/dpa

Viele Menschen fürchten sich vor Gewittern, vor Blitz und Donner. Und das zu Recht. Denn Blitze transportieren eine enorme Energiemenge vom Himmel zur Erde. Wer direkt von einem Blitz in einem Gewitter getroffen wird, hat kaum eine Überlebenschance. Schlägt ein Blitz in ein Haus ein, so steht es fast unweigerlich bald darauf in Flammen. Es ist daher Ziel, mehr über die Entstehung von Blitzen herauszufinden. Erstaunlicherweise ist bisher kaum belastbares Wissen vorhanden.

Gewitter sind schwer zu erforschen

Das Problem: Die Feldforschung in Gewitterwolken ist enorm schwierig: Flugzeuge, Ballons oder auch kleinere Raketen können zwar in eine Gewitterwolke vorstoßen, doch sie erfassen dabei immer nur ihre direkte Umgebung. Die Entstehung von Blitzen ist jedoch ein Resultat aus dem chaotischen Geschehen innerhalb des gesamten Wolkenfeldes. Dazu kommt: Die Fluggeräte beeinflussen selbst das elektrische Feld in der Wolke und können so die jeweilige Messung stören, ja sie können sie sogar völlig unbrauchbar machen. 

Daten nicht weggeworfen, aber auch nicht analysiert

Ein Ansatz zur Verbesserung in der Blitz- und Gewitterforschung könnte das niederländische Radioteleskop LOFAR liefern. LOFAR ist kein einzelnes Radioteleskop, sondern ein Array, welches aus über 10.000 relativ kleinen Antennen besteht. Und genau das ist ein Vorteil. Denn normalerweise werden Radioteleskope bei heraufziehendem Gewitter abgeschaltet, um die hochempfindliche Elektronik zu schützen.

grafische Darstellung eines kosmischen Teilchenschauers bei einem Gewitter über dem LOFAR-Kern.

grafische Darstellung eines kosmischen Teilchenschauers bei einem Gewitter über dem LOFAR-Kern.

Foto: Radboud Universität

Mit LOFAR lässt sich auch während eines Gewitters messen, die erhaltenen Daten waren allerdings bisher praktisch unbrauchbar. „Wir haben sie zwar nicht weggeworfen, aber auch nicht analysiert“, sagt Pim Schellart von der Radboud Universität in Nijmegen.

Elektrisches Gewitterfeld beeinflusst Verhalten kosmischer Teilchen

Was für eine Verschwendung von Wissen: Denn die energiereichen kosmischen Teilchen, die zum Beispiel bei einer Sternenexplosion entstehen, treffen ständig auf die Atmosphäre der Erde. Beim Aufprall erzeugen diese hochenergetischen Partikel einen ganzen Schauer von Elementarteilchen. Nachweisen lässt sich dieser Teilchenschauer durch typische Radiosignale. Und das elektrische Feld eines Gewitters beeinflusst das Verhalten der Teilchen.

Verfahren ermöglicht Sofortbild der Gewitterwolke

Jetzt haben sich die Radioteleskop-Forscher mit Astrophysikern und Gewitter-Experten zusammengeschlossen. Ergebnis ist ein Computermodell, welches die Wissenschaftler mit den praktisch unbrauchbaren Daten der LOFAR-Messungen fütterten. „Wir haben modelliert, wie das elektrische Feld eines Gewitters die unterschiedlichen Messergebnisse verursachen kann“, erklärt Schellart, Erstautor einer Studie, die jetzt im Fachmagazin Physical Review Letters erschienen ist.

Die veränderten Radio-Emissionen liefern viele Informationen über diese elektrischen Felder. Besonders interessant: Die veränderten Radio-Emissionen bewegen sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit, sie bieten daher praktisch ein Sofortbild der ganzen Gewitterwolke. 

Mehrere hundert Millionen Volt

„Wir konnten sogar die Stärke des elektrischen Feldes in einer bestimmten Höhe der Wolke bestimmen“, berichtet Schellart. Und diese Feldstärken können bis zu 50 Kilovolt pro Meter betragen. Im Klartext: Über einer Gewitterzelle von mehreren Kilometern Ausdehnung kommen mehrere hundert Millionen Volt zusammen. Eine Gewitterwolke enthält gewaltige Mengen an Energie. Es ist ein völlig neuer Ansatz, mittels Radioteleskopen Blitze besser verstehen zu wollen. „Wir hoffen darauf, dass wir unsere Modelle noch viel weiter entwickeln können, um eine schon sehr alte Frage beantworten zu können: Wie entstehen eigentlich Blitze?“, sagt Studienleiter Heino Falcke. 

Von Detlef Stoller

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