Ontstaan bliksem aangetoond: hagel en kosmische deeltjes

Voor het eerst is aangetoond hoe bliksem ontstaat: door een samenspel van hagel en energierijke deeltjes uit de ruimte, afkomstig van exploderende sterren. Een kosmisch deeltje produceert een lawine van elektronen.

Publication date: 01-07-2015

Voor het eerst is aangetoond hoe bliksem ontstaat: door een samenspel van hagel en energierijke deeltjes uit de ruimte, afkomstig van exploderende sterren. Een kosmisch deeltje produceert een lawine van elektronen. Als deze bij de punt van een grote hagelsteen komen, waar het elektrisch veld het sterkst is, dan start de bliksem. Dit mechanisme is nu gemodelleerd door onderzoekers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam, samen met collega’s van de Rijksuniversiteit Groningen en de Vrije Universiteit Brussel. Het onderzoek is mede gefinancierd door Technologiestichting STW en Stichting FOM. Het artikel ‘Prediction of lightning inception by large ice particles and extensive air showers’ verscheen op 30 juni in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

“We hebben nu alle puzzelstukjes in handen om het ontstaan van bliksem te begrijpen”, zegt ‘bliksemprofessor’ Ute Ebert, hoofd van de onderzoeksgroep Multiscale Dynamics van het CWI en als hoogleraar verbonden aan de TU/e. “Het ontstaan van bliksem is erg complex omdat er zich veel processen afspelen op heel verschillende schalen in ruimte, tijd en energie. Promovendi uit mijn groep, Anna Dubinova en Casper Rutjes, hebben nu voor het eerst tot in detail uitgerekend hoe het werkt.”

Rutjes zegt: “De belangrijkste uitdagingen waren: dat het elektrisch veld in een onweerswolk te laag is en dat er onvoldoende vrije elektronen beschikbaar zijn voor het starten van een ontlading”. Dubinova voegt toe: “In ons model zijn er hagelstenen die groot en scherp genoeg zijn om rond hun punt hoge elektrische velden te vormen, maar ze moeten ook weer niet te scherp zijn.” Rutjes vult aan: “Daarnaast zorgt dus een deeltjeslawine in de atmosfeer, veroorzaakt door één energierijk kosmisch deeltje ervoor, dat er genoeg vrije elektronen beschikbaar zijn voor het ontstaan van bliksem. Dat zijn echt deeltjes die ver uit het heelal komen, zoals  protonen uit supernova’s. Als de deeltjeslawine in het hoge elektrische veld van de hagelpunt komt, begint het eerste stadium van bliksem – een streamer – te groeien  en de bliksem start.”

Dubinova zegt: “Wij hebben nu aangetoond dat grote hagelstenen, of een samenklontering van hagelsteentjes,  en energierijke kosmische deeltjes voldoende vaak tegelijk voorkomen om het ontstaan van bliksem te verklaren. Het moeilijke was de complexe wisselwerking van alle processen, het modelleren van hoe ijs reageert op de elektrisch velden,  en een rare event analysis voor de kansverdeling dat het gebeurt. Daarnaast leerden onderzoekers uit Groningen ons hoe we de deeltjeslawines moesten modelleren, zodat we de techniek daarna zelf konden toepassen.  Rutjes lacht: “Als je nu naar onweer kijkt, dan weet je dat dat komt door een kosmisch deeltje ver uit de ruimte!”

De onderzoeksresultaten komen voort uit het door STW gefinancierde project Creeping Sparks en het project  Cosmic Lightning van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) . 

Meer informatie:

http://homepages.cwi.nl/~ebert

Het artikel verscheen dinsdagavond 30 juni onder nummer LC15280 in Physical Review Letters: ‘Prediction of lightning inception by large ice particles and extensive air showers’ door Anna Dubinova, Casper Rutjes, Ute Ebert, et al.

Illustratie: Het begin van bliksem: een kosmisch deeltje produceert een deeltjeslawine, die vrije elektronen genereert. Zodra deze elektronen beschikbaar zijn, begint een streamer (de eerste fase van bliksem) te groeien vanuit de punt van een grote hagelsteen, of een samenklontering van graupel, waar het elektrische veld sterker is. Afbeelding: CWI. 

De Rijksuniversiteit Groningen schreef een Engelstalig artikel over de fysische achtergrond


In de media:

Dailymail, 1 juli 2015: Mystery of how lightning forms solved: Cosmic rays interacting with hail cause phenomenon, study claims

Cursor, 1 juli 2015: TU/e-professor helpt ontstaan van bliksem aantonen