Blitze haben unverwechselbare Zick-Zack-Formen und Physiker haben sich lange gefragt, warum. Jetzt, John Lowke und Endre Szili an der University of South Australia haben Berechnungen durchgeführt, die dieses Verhalten erklären könnten.
Das Duo erstellte ein Modell, das die ungewöhnliche Ausbreitung von „Blitzleitern“ – Kanälen aus ionisierter Luft – beschreibt, die Gewitterwolken mit dem Boden verbinden. Sie schlagen vor, dass die Zick-Zack-Schritte mit hoch angeregten, metastabilen Sauerstoffatomen verbunden sind – die es für elektrischen Strom viel einfacher machen, durch die Luft zu fließen.
Blitze scheinen sich in einer Reihe von Schritten auszubreiten, an denen Vorläufer beteiligt sind, die mehrere zehn Meter lang sind und aus Gewitterwolken stammen. Ein Leiter leuchtet etwa 1 µs lang auf, wenn Strom fließt, wodurch eine Stufe entsteht. Dann verdunkelt sich der Kanal für zehn Mikrosekunden, gefolgt von der Bildung der nächsten leuchtenden Stufe am Ende des vorherigen Leiters – manchmal mit auftretender Verzweigung. Dieser Vorgang wiederholt sich, um eine vertraute gezackte Blitzform zu erzeugen. Kurios an diesem Vorgang ist, dass eine einmal aufgeleuchtete und abgedunkelte Stufe nicht wieder aufleuchtet – obwohl sie Teil der Dirigentensäule ist.
Es ist bekannt, dass diese Schritte für die charakteristischen Zick-Zack-Muster verantwortlich sind, die in Blitzstreifen zu finden sind, aber es gibt mehrere unbeantwortete Fragen zur Physik hinter diesem Phänomen. Insbesondere die Natur der dunklen, aber leitfähigen Säulen, die Anführer mit Gewitterwolken verbinden, ist weitgehend ein Rätsel geblieben.
Singulett-Delta-Sauerstoff
Lowke und Szili berechnen in ihrer Studie, dass das Stepping-Verhalten mit einer Anhäufung von hoch angeregten Sauerstoffmolekülen verbunden sein könnte, die als „singulett-delta-metastabiler Sauerstoff“ bezeichnet werden. Diese Moleküle haben eine Strahlungslebensdauer von etwa einer Stunde und bewirken, dass sich Elektronen von negativen Sauerstoffionen lösen – was die Leitfähigkeit der sie umgebenden Luft erhöht.
Der Physiker, der den Blitz zähmt
Das Duo schlägt vor, dass die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Schritten der Zeit entspricht, die erforderlich ist, damit sich ausreichende Konzentrationen der metastabilen Moleküle an den Leiterspitzen ansammeln. Dadurch erhöht sich das elektrische Feld an der Spitze, was im nächsten Schritt eine weitere Ionisation ermöglicht. Darüber hinaus schlagen die Forscher vor, dass hohe Konzentrationen von Singulett-Delta-Sauerstoff in früheren Schritten bestehen bleiben sollten, damit diese Schritte ihre elektrische Leitfähigkeit auch ohne ein anhaltendes elektrisches Feld beibehalten können.
Lowke und Szili hoffen, dass ein besseres Verständnis dieses Prozesses zu neuen Techniken und strengeren Vorschriften zum Schutz von Gebäuden vor Blitzeinschlägen führen könnte. Dadurch könnten die durch Blitze verursachten wirtschaftlichen und ökologischen Schäden minimiert und gleichzeitig die Gefahr für Leib und Leben verringert werden.
Die Forschung ist beschrieben in Zeitschrift für Physik D: Angewandte Physik.
