Gewitter: Geladene Atmosphäre

Die Blitze der Sommergewitter erinnern daran, dass die Erdatmosphäre elektrisch ist. Neben den Bilderbuchblitzen gibt es allerdings eine Menge weiterer, oft seltsamer elektrischer Erscheinungen in der Lufthülle. Sie alle gehören zu einem erdumspannenden Stromkreis, den Wissenschaftler mit Sensoren und Simulationen zu entschlüsseln versuchen.

Konventionelle Blitze zucken in Gewittern weltweit ungefähr 40-mal pro Sekunde. Über den Wolken aber spielen sich hin und wieder unkonventionelle Leuchterscheinungen ab, die bis zu 100 Kilometer über die Erdoberfläche reichen. Martin Füllekrug von der englischen Universität Bath ist ein Spezialist für solche Phänomene. Etwa zehnmal pro Minute entstehe irgendwo auf der Erde über einem Gewitter eine „Elfe“, sagt Füllekrug. Diese Leuchterscheinung kann sich über einem Gewitter horizontal bis zu 300 Kilometer erstrecken. Ulkig sehen die „Kobolde“ aus (Sprites), die etwa einmal pro Minute über den Wolken zucken und roten Quallen ähneln. Seltener gibt es einen „Blue Jet“ oder einen „Gigantic Jet“. Letzterer schießt sogar bis zu 80 Kilometer in die Höhe, wo die Luft elektrisch leitfähig wird.

Was bei diesen Erscheinungen leuchtet wie in einer Leuchtstoffröhre, sind angeregte Gasmoleküle, aber keine des Edelgases Neon, sondern Stickstoff- oder Stickoxidmoleküle. Die Farbe hänge zum einen von der Molekülsorte ab, zum anderen aber auch vom Luftdruck, sagt Füllekrug. Darum seien die „Blue Jets“ unten weiß und nur oben blau. Elfen, Kobolde und Jets erzeugen übrigens auch einen Donner. Das menschliche Ohr kann das Grummeln jener Infraschallwellen allerdings nicht wahrnehmen.

Das jüngste und bizarrste Mitglied im Zoo der seltsamen Leuchterscheinungen der Atmosphäre sind die „terrestrischen Gammastrahlen-Blitze“. Gammastrahlen sind eine kurzwellige Sorte der elektromagnetischen Strahlung, die in hohen Dosen die Gesundheit schädigt und zum Beispiel entsteht, wenn Atomkerne radioaktiv zerfallen. Explodieren Sterne, können damit intensive Gammastrahlen-Blitze verbunden sein, die Satelliten beobachten. Mitte der 1990er Jahre berichtete die Nasa aber, dass auch die Erde solche Signale aussendet, und zwar kommen sie aus Gewitterwolken.

Seitdem kursieren mehrere Ideen dazu, wie die Gammastrahlen-Blitze der Gewitter entstehen. An der Konferenz der European Geosciences Union (EGU) in Wien im April stellte Joseph Dwyer vom Florida Institute of Technology seine Entstehungshypothese vor. Demnach ereignet sich in der Gewitterwolke ein „dunkler Blitz“.

Wenn Wassertröpfchen zerstäuben, zu Eiskristallen und Graupelkörnern gefrieren und sich diese aneinander reiben, werden in der Wolke elektrische Ladungen generiert. Manchmal folgt daraus kein normaler Blitz, sondern ein „dunkler“: Das starke elektrische Feld beschleunigt Elektronen dann fast auf Lichtgeschwindigkeit, bis die Elektronen mit Molekülen der Luft zusammenprallen. Durch die Abbremsung entstehen die Gammastrahlen, außerdem werden weitere Elektronen und deren Antiteilchen (Positronen) freigesetzt. Es kommt zu einem Schneeballeffekt. Bei dem Mechanismus werden nicht nur Gammastrahlen erzeugt, sondern auch sichtbare Lichtstrahlen. Würde die Wolke sie nicht verdecken, könnte man ein blau-purpurnes Glimmen wahrnehmen, sagte Dwyer.

Der Forscher vermutet, dass die terrestrischen Gammastrahlen-Blitze von konventionellen Blitzen ausgelöst werden. Eine aktuelle Studie unterstützt diese Annahme: Ein Team um den Norweger Nikolai Østgaard berichtet im Fachblatt „Geophysical Research Letters“, in Messdaten von Satelliten räumlich und zeitlich übereinstimmende Signale von einem gewöhnlichen Blitz und einem Gammastrahlen-Blitz gefunden zu haben.

Gammastrahlen-Blitze: Strahlendosis wie beim Ganzkörper-CT

Dwyers Hypothese muss aber noch Tests überstehen. In den nächsten Jahren sollen die terrestrischen Gammastrahlen-Blitze mit mehreren Satelliten untersucht werden. Die Europäische Raumfahrtbehörde Esa hat zudem für die Internationale Raumstation ISS den Sensor Asim (Atmospheric Space Interactions Monitoring Instrument) gebaut, der von 2014 an nach Gammastrahlen und den anderen Strahlungsphänomenen Ausschau halten soll.

Eine große Gesundheitsgefahr geht anscheinend von Gammastrahlen-Blitzen nicht aus. Flugpassagiere könnten maximal eine Strahlendosis wie bei einer Ganzkörper-Computertomografie abbekommen, sagt Dwyer. Doch dazu müsste ein Flugzeug schon direkt in einen Gammastrahlen-Blitz geraten, was sehr unwahrscheinlich ist, denn terrestrische Gammastrahlen-Blitze sind sehr selten beobachtet worden.

Blitze sind Teil eines erdumspannenden Stromkreises

Eines haben die gewöhnlichen Blitze und andersartige Leuchterscheinungen gemeinsam. Sie sind Teile eines erdumspannenden Stromkreises. Dieser spielt sich in einer Art riesenhaftem Kondensator ab. Die eine „Platte“ des Kondensators ist die Erdoberfläche, die andere die Ionosphäre oberhalb von 85 Kilometern Höhe. Zwischen den beiden herrscht eine elektrische Spannung von 250 000 Volt.

Die untere Atmosphäre im Zwischenraum ist als Isolator wirksam. Er isoliert aber nicht perfekt. In Schönwettergebieten wird der Kondensator langsam entladen, weil Ionen der Luft Ladung transportieren. Die elektrische Leistung dieses Stromflusses hat eine Größenordnung von einem halben Gigawatt. Dass die elektrische Spannung dadurch nicht abfällt, verhindern Gewitter und andere elektrifizierte Wolken. Sie laden den globalen Kondensator immer wieder neu auf.

Gefunden wurde der Zusammenhang zwischen den Gewittern und dem globalen Stromkreis schon in den 1920er Jahren mithilfe des amerikanischen Forschungsschiffs „Carnegie“. Die Besatzung zeichnete auf Reisen über mehrere Ozeane die elektrische Spannung in der Luft auf. Die entstandene „Carnegie-Kurve“ gibt den Tagesgang der Spannung wieder und ähnelt dem Tagesgang der Gewitteraktivität.

Ein Computermodell simuliert die elektrische Atmosphäre

Kürzlich wurde ein wichtiger Schritt getan, um den globalen Stromkreis noch besser zu verstehen. Erstmals haben Wissenschaftler nämlich die Leitfähigkeit der Lufthülle mit einem globalen Zirkulationsmodell simuliert, das ansonsten für Klimastudien verwendet wird. Davon berichtete der Physiker Andreas Baumgärtner von der Universität Colorado auf der Wiener EGU-Tagung.

Leitfähig machen die Atmosphäre laut Baumgärtner vor allem zwei Prozesse. In höheren Atmosphärenschichten ionisiert kosmische Strahlung die Luft. Nahe der Erdoberfläche erzeugt das radioaktive Gas Radon Ladungen in der Atmosphäre. Frühere Analysen der Leitfähigkeit seien auf der Basis lückenhafter Daten entstanden. Mit dem Computermodell sei die Leitfähigkeit der Atmosphäre nun mit bisher unerreichter Genauigkeit berechnet worden, sagt Baumgärtner. Dadurch habe man erstmals einen Jahresgang in der global gemittelten Leitfähigkeit entdeckt; er hänge wahrscheinlich mit dem Wetter zusammen.

In Zukunft soll das Computermodell verfeinert werden, um auch die Stromflüsse des globalen Stromkreises zu untersuchen, sagt Baumgärtner. Diese Arbeit findet im Projekt „Electrical Connections and Consequences Within the Earth System“ statt, das 2011 in den USA begann und noch bis 2016 läuft. In diesem Vorhaben soll auch geklärt werden, wie viel Gewitter und andere elektrifizierte Wolken, etwa Schauerwolken oder die ausgedehnte Wolkendecke (Nimbostratus) des Landregens in mittleren Breiten zur Aufrechterhaltung der Spannung zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre beitragen.