Bliksemflitsen hebben kenmerkende zigzagvormen en natuurkundigen hebben zich lang afgevraagd waarom. Nu, John Lowke en Einde Szili aan de Universiteit van Zuid-Australië hebben berekeningen gemaakt die dit gedrag zouden kunnen verklaren.
Het duo creëerde een model dat de ongebruikelijke voortplanting beschrijft van "bliksemleiders" - kanalen van geïoniseerde lucht - die onweerswolken met de grond verbinden. Ze stellen voor dat de zigzag-stappen worden geassocieerd met zeer aangeslagen, metastabiele zuurstofatomen - waardoor het veel gemakkelijker wordt voor elektrische stroom om door de lucht te stromen.
Bliksem lijkt zich voort te planten in een reeks stappen waarbij leiders betrokken zijn, die tientallen meters lang zijn en afkomstig zijn van onweerswolken. Een leider zal gedurende ongeveer 1 µs oplichten terwijl er stroom loopt, waardoor een stap ontstaat. Vervolgens wordt het kanaal tientallen microseconden donkerder, gevolgd door de vorming van de volgende lichtgevende stap aan het einde van de vorige leider - soms met vertakking. Dit proces herhaalt zich om een vertrouwde gekartelde bliksemschichtvorm te creëren. Een merkwaardig aspect van dit proces is dat als een trede eenmaal is verlicht en verduisterd, deze niet weer oplicht - ondanks dat het deel uitmaakt van de geleidende kolom.
Het is bekend dat deze stepping verantwoordelijk is voor de kenmerkende zigzagpatronen die worden aangetroffen in bliksemschichten, maar er zijn verschillende onbeantwoorde vragen over de fysica achter dit fenomeen. Met name de aard van de donkere maar geleidende kolommen die leiders met onweerswolken verbinden, is grotendeels een mysterie gebleven.
Singlet delta zuurstof
In hun studie berekenden Lowke en Szili dat het stapgedrag verband zou kunnen houden met een opeenhoping van sterk geëxciteerde zuurstofmoleculen die "singlet delta metastabiele zuurstof" wordt genoemd. Deze moleculen hebben een stralingslevensduur van ongeveer een uur en zorgen ervoor dat elektronen zich losmaken van negatieve zuurstofionen, waardoor de geleidbaarheid van de lucht eromheen wordt verbeterd.
De natuurkundige die de bliksem temt
Het duo suggereert dat de tijd tussen opeenvolgende stappen overeenkomt met de tijd die nodig is om voldoende concentraties van de metastabiele moleculen te accumuleren aan de uiteinden van de leider. Dit verhoogt het elektrische veld aan de punt, waardoor verdere ionisatie in de volgende stap mogelijk wordt. Bovendien stellen de onderzoekers voor dat hoge concentraties singlet-delta-zuurstof in eerdere stappen moeten blijven bestaan, waardoor deze stappen hun elektrische geleidbaarheid kunnen behouden, zelfs zonder een aanhoudend elektrisch veld.
Lowke en Szili hopen dat een beter begrip van dit proces kan leiden tot nieuwe technieken en strengere regelgeving om gebouwen te beschermen tegen blikseminslag. Dit zou de economische en ecologische schade veroorzaakt door bliksem kunnen minimaliseren en tegelijkertijd de dreiging voor lijf en leden verminderen.
Het onderzoek is beschreven in Journal of Physics D: Toegepaste Natuurkunde.
