Bliksem produceert nagloed van gammastraling

Bliksem wekt röntgen- en gammastraling op. De ioniserende straling van bliksem blijkt veel langer te schijnen dan tot nu toe was aangenomen: er ontstaat een nagloed van gammastraling die tot wel 10.000 keer langer duurt. Dat blijkt voor het eerst uit computersimulaties van onderzoekers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI). Hun artikel ‘TGF afterglows: a new radiation mechanism from thunderstorms’ is gepubliceerd op 22 oktober 2017 in het wetenschappelijke tijdschrift Geophysical Review Letters. Deze ontdekking kan meer inzicht geven in hoe bliksem zich ontwikkelt.

Publication date: 23-10-2017

Bliksem wekt röntgen- en gammastraling op. Vroeger dacht men dat dit verschijnsel maar heel kort duurde, zo’n tienduizendste deel van een seconde. De ioniserende straling van bliksem blijkt echter veel langer te schijnen dan tot nu toe was aangenomen: er ontstaat een nagloed van gammastraling die tot wel 10.000 keer langer duurt. Dat blijkt voor het eerst uit computersimulaties van onderzoekers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam. Hun artikel ‘TGF afterglows: a new radiation mechanism from thunderstorms’ is gepubliceerd op 22 oktober 2017 in het wetenschappelijke tijdschrift Geophysical Review Letters. Deze ontdekking kan meer inzicht geven in hoe bliksem zich ontwikkelt.

Aardse gammaflitsen
Sinds ongeveer twee decennia is het bestaan van ‘aardse gammaflitsen’ bekend. Als bliksem ontstaat, dan kunnen elektronen tot zeer hoge energieën worden versneld, die na botsingen met luchtmoleculen een explosie van gammastraling veroorzaken: zogenaamde ‘aardse gammaflitsen’. Daarbij kunnen tot wel een triljoen (‘een miljard miljard’) gammadeeltjes worden weggeschoten, die zijn gemeten op de grond, in vliegtuigen en door satellieten. Dat is echter een hele kunst, omdat deze explosies zeer gefocust zijn en maar zo kort duren, rond de 0,0001 seconden. Er is nog veel onbekend over hoe deze aardse gammaflitsen ontstaan en wat hun rol is bij de ontwikkeling van de bliksem. De nu ontdekte nagloed helpt bij het bestuderen van dit verschijnsel.

Nagloed in alle richtingen
CWI-onderzoeker Casper Rutjes legt uit wat er bij het nieuw ontdekte stralingsmechanisme gebeurt. “De straling van een aardse gammaflits is zo sterk, dat er kernreacties kunnen plaatsvinden. Als de gammastraling de atoomkernen van de luchtmoleculen raakt, kunnen de protonen en neutronen, waaruit atoomkernen bestaan, losraken. Daarbij kunnen de losse neutronen langer en verder rondzwerven dan protonen, omdat ze geen elektrische lading hebben. Na zo’n omzwerving wordt het neutron weer ingevangen door een andere atoomkern, waarbij opnieuw gammastraling kan ontstaan. De hoge energie van de straling van de gammaflits, die wordt gebruikt bij het losmaken van neutronen, is bij wijze van spreken tijdelijk opgeslagen in de vrijgemaakte neutronen”. De CWI-onderzoekers berekenden, dat op deze manier er een nagloed aan nieuwe gammastraling ontstaat die maar liefst 1.000 tot 10.000 keer langer aanhoudt dan de gammaflits zelf en niet gericht is maar alle kanten op straalt, wat het meten vergemakkelijkt.

Nagloed gemeten
De onderzoekers van het CWI vonden in de wetenschappelijke literatuur bijna geen metingen die met de voorspellingen overeenkwamen, omdat vrijwel niemand op de juiste tijdschaal aan het meten was.  Onderzoeker Casper Rutjes zegt: “Onlangs zijn onze simulaties ook bevestigd door experimenten. Bijna gelijktijdig hebben G.S. Bowers en collega’s van de University of California Santa Cruz een duidelijke nagloed van gammaflitsen gemeten in Japan, na een blikseminslag op een windturbine. Dat artikel, ‘Gamma-ray signatures of neutrons from a terrestrial gamma-ray flash’, verscheen nu ook in het wetenschappelijke tijdschrift Geophysical Review Letters.

Stralingsrisico
Over het stralingsrisico zegt Rutjes: “De kans om direct geraakt te worden door een aardse gammaflits is zeer klein. Als iemand in een vliegtuig toch rechtstreeks wordt geraakt door zo’n smalle aardse gammaflits, dan krijgt deze persoon een stralingsdosis die ongeveer gelijk is aan 400 keer een röntgenfoto (30 mSv)[1]. De nagloed die wij nu ontdekten straalt alle kanten op, waardoor de kans wel groot is dat een vliegtuig boven een onweerswolk wordt geraakt, maar gelukkig is die straling veel minder fel. De stralingsdosis van de nagloed na bliksem is niet gevaarlijk: minder dan de passagiers al krijgen door achtergrondstraling tijdens een uur vliegen.”

Het onderzoek is uitgevoerd door Casper Rutjes, Gabriel Diniz, Ivan Ferreira en Ute Ebert van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) en is gefinancierd door Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Simulaties MDBijschrift afbeelding
Computersimulaties gemaakt door CWI-onderzoekers tonen de nagloed van gammastraling na bliksem. Deze nagloed blijkt 10.000 keer langer te duren dan voorheen gedacht. De afbeelding toont de hoogte en de tijd van de straling. De kleur (van rood naar geel) geeft aan hoe sterk de straling is. Een aardse gammeflits start op een hoogte van 8 kilometer, en vormt een wolk van neutronen op een hoogte van 3 kilometer. Deze wolk veroorzaakt vervolgens de nagloed.

Meer informatie
- Het artikel 'TGF Afterglows: A New Radiation Mechanism From Thunderstorms'
- Onderzoeksgroep Multiscale Dynamics

[1] Dwyer et al. (2010). Estimation of the fluence of high‐energy electron bursts produced by thunderclouds and the resulting radiation doses received in aircraft. Journal of Geophysical Research: Atmospheres115(D9).