Ergens op aarde is altijd wel bliksem. Toch is het nog onbekend hoe die ontstaat. Met nieuwe apparatuur en experimenten proberen onderzoekers de lichtshow aan de hemel alsnog zijn geheimen te ontfutselen. ‘Ik denk dat we de enigen ter wereld zijn die dit kunnen.’
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
‘Holy moly! Dit zijn Amerikaanse toestanden met dat voortdurende geflits’, schreef meteoroloog en voormalig weervrouw Helga van Leur half juni op het sociale medium Bluesky. ‘Heb ik in Nederland niet eerder (bewust) gezien.’
De spectaculaire onweersbuien die aan het begin van de zomer over Nederland trokken, werden een week later gevolgd door een minstens zo indrukwekkende tweede ronde.
Hoewel meteorologen zulke gevaarlijke buien prima kunnen voorspellen – beide keren waarschuwde het KNMI ruim vooraf voor onstuimig weer – schuilt in hun binnenste een wetenschappelijk mysterie.
Hoe precies de bliksemschichten ontstaan die in juni hun stroboscopische schijnsel over Nederland strooiden, weet namelijk niemand. Opvallend misschien voor zoiets alledaags: wereldwijd scheren elke seconde een grove vijftig bliksems door de aardatmosfeer. Maar toch ook weer niet. Onweerswolken zijn immers grotendeels ondoorzichtig, en gevaarlijk bovendien. Een kijkje nemen in hun binnenste is op zijn minst uitdagend.
Desondanks hebben onderzoekers de afgelopen eeuwen met alles van vliegers tot raketten wel degelijk iets van de werking van hun binnenste ontraadseld. En een nieuwe generatie onderzoekers sleutelt aan verse trucs om het onweer zijn belangrijkste geheimen te ontfutselen. Daarvoor zetten ze allerlei middelen in, van radiotelescopen die normaliter luisteren naar signalen uit de diepe kosmos tot vliegtuigen die met speciale meetapparatuur boven onweerswolken vliegen.
Wat experts zeker denken te weten, is dit. Onweer begint met veel vochtige lucht en, zoals meteorologen het zeggen, convectie: opstijgende warme lucht. Die was in juni, als sluitstuk van de hittegolf, ruimschoots in Nederland voorradig.
Boven in de atmosfeer, waar het koud is, ontstaan vervolgens wolken, met daarin ijskristallen. ‘In allerlei soorten en maten, van druppels water tot sneeuwvlokken, hagelstenen, half gesmolten dingen, en dat wordt door die convectie allemaal door elkaar gehusseld. En bij de botsingen dragen ze allemaal lading aan elkaar over’, zegt fysicus Sander Nijdam van de Technische Universiteit Eindhoven.
‘Op de een of andere manier krijgen de zwaarste ijskristallen vervolgens een negatieve lading en de lichtste een positieve’, zegt hij. Het resultaat: de negatieve lading zakt naar beneden, de positieve surft op de opwaartse luchtstroom naar boven. In de wolk ontstaat daardoor een ladingsverschil. ‘Dat leidt tot heel hoge elektrische velden en spanningen, en op een gegeven moment ontstaat ergens een eerste ontlading – maar hoe precies, weten we eigenlijk niet.’
Lang dachten wetenschappers dat ze het wel zo’n beetje begrepen hadden. De afgelopen eeuwen leerden fysici steeds meer over elektriciteit en slaagden ze erin om in het lab bliksemachtige vonken te laten overspringen tussen metalen bollen.
Als je het ladingsverschil tussen die bollen ver genoeg oppompt, zo bleek, dan kunnen in de lucht aanwezige elektronen behoorlijk versneld worden. ‘Via botsingen komen dan nieuwe elektronen vrij en uiteindelijk ontstaat een soort lawine’, zegt Nijdam. Dat levert vonken op: rudimentaire bliksemschichten.
Net zo moest het gaan in de wolken, luidde de conclusie. Een ladingsverschil in de wolk, of tussen de wolk en de grond, is dan genoeg om een grotere tegenhanger op te wekken van wat ze zagen gebeuren in het lab.
Zo’n tweehonderd jaar lang was dat het overheersende beeld, totdat onderzoek met weerballonnen halverwege de vorige eeuw dat beeld liet kantelen: de elektrische velden in onweerswolken bleken grofweg tienmaal te zwak om zo’n spontane bliksemschicht op te wekken.
Fysici moesten terug naar de tekentafel, een proces dat zich – excuus voor de spoiler – steeds weer zou herhalen. In de geschiedenis van het bliksemonderzoek komen met de beschikbaarheid van nieuwe meettechnieken namelijk steeds opnieuw opvallende lacunes in de heersende verklaringen aan het licht.
Toch kwamen wetenschappers opnieuw tot een beloftevolle verklaring: wellicht zijn er in de wolk scherpe ijspegels waar in de punt zodanig veel elektronen samenballen dat daar een veel krachtiger elektrisch veld ontstaat. Zo kun je op papier die factor tien overbruggen, berekende men halverwege de 20ste eeuw.
Totdat enkele decennia later nieuwe waarnemingen opnieuw twijfel zaaiden. Satellieten die bedoeld waren om zogeheten gammaflitsen uit de ruimte op te vangen, zagen plots vergelijkbare signalen op aarde, opvallend vaak wanneer zich onweerswolken met bliksemontladingen onder die satellieten hadden samengepakt.
Gammastraling is net als zichtbaar licht een vorm van elektromagnetische straling, maar dan wel een die in het heelal vaak gepaard gaat met zeer energierijke gebeurtenissen. De gewelddadige dood van een ster, bijvoorbeeld, of de botsing van twee neutronensterren, de extreem dicht samengepakte overblijfselen van zware sterren. Dat zoiets ook uit een ordinaire aardse wolk kon komen, zelf als daar de naar menselijke maatstaven krachtige bliksem in rondging, was voor fysici destijds een verrassing.
Het leidde tot een nieuwe hypothese: wellicht dat kosmische straling, deeltjes die met extreem hoge snelheid (en dus energie) vanuit de kosmos naar de aarde zoeven, het lontje kan zijn dat een bliksemschicht aansteekt.
Die hypothese gaat grofweg als volgt. Wanneer één kosmisch deeltje op de lucht knalt in de toch al elektrisch geladen omgeving van een onweerswolk, dan kan deze een cascade van elektronen veroorzaken; het begin van een bliksemschicht. Zulke hoogenergetisch kosmische deeltjes wekken, wanneer deze op luchtmoleculen botsen, inderdaad gammastraling op – precies wat de satellieten zagen.
Hoewel die verklaring daarna rap aan populariteit won, is het laatste woord nog altijd niet gesproken. ‘Ik denk dat beide theorieën nog niet echt afgeschoten of bewezen zijn’, zegt Nijdam.
Recente waarnemingen lijken dat te bevestigen. In 2023 voerden fysici de Aloft-missie uit, waarbij ze met een vliegtuig boven onweerswolken in de Golf van Mexico, Midden-Amerika en de Cariben vlogen.
Ze bestudeerden de straling die naar buiten kwam en ontdekten tot hun verrassing een ware kakofonie aan gammastraling. Ze zagen allerhande onverwachte activiteit in de onweerswolken, inclusief geflits wanneer er geen duidelijke bliksemschichten ontstaan.
De waarnemingen pasten goed bij de hypothese over kosmische deeltjes, maar er was nog veel méér aan de hand, zo leek het. ‘Ik vermoed dat er meerdere processen zijn die in de natuur kunnen plaatsvinden en die allemaal tot bliksem kunnen leiden’, zegt Nijdam.
Martino Marisaldi van de Universiteit van Bergen, in Noorwegen, was een van de onderzoeksleiders betrokken bij die metingen uit 2023. ‘We kregen het vliegtuig en een deel van de meetapparatuur van Nasa en wij voegden daar onze eigen meetapparatuur aan toe. Doordat we boven de wolken vlogen, konden we deze heel energierijke gebeurtenissen goed zien’, zegt hij. Zo kun je met een vliegtuig onder meer veel dichter bij de onweerswolken komen dan vanaf de grond mogelijk is.
‘Het uitvoeren van dit soort vliegtuigmissies geeft je het gevoel dat je een tastbare invloed hebt op het onderzoek. De combinatie van dit soort veldwerk plus data-analyse is waarom ik wetenschap zo leuk vind – dit is gewoon echt heel gaaf werk’, lacht hij.
Wat het extra leuk maakt, is dat de metingen succesvol verliepen. ‘We ontdekten bijvoorbeeld zogeheten flikkerende gammaflitsen, een nieuw fenomeen. Ze waren al wel in sommige theorieën voorspeld, maar nog door niemand gezien. We berekenden dat zo’n 97 procent van de gammaflitsen die we waarnamen, niet zichtbaar waren geweest vanuit de ruimte’, vanuit waar de krachtigere gammaflitsen voor het eerst met satellieten werden waargenomen. Ze zijn, wil hij maar zeggen, niet voor niets gegaan.
Een vervolgmissie staat in de planning: Enlighten, gaat die heten. ‘We ontvingen een Europese ERC-beurs om de hypothesen te testen over hoe bliksem kan ontstaan’, zegt Marisaldi. ‘We gaan kijken naar hoogenergetische gammastraling, die vrijkomt met een deel van de bliksemschichten. We hebben daarvoor wel andere meetapparatuur nodig. Tijdens Aloft konden onze gammastralingsdetectoren alleen meten dat er straling was – een beetje alsof je muziek hoort zonder dat je weet waar die vandaan komt. Dat willen we ditmaal anders doen.’
Ondertussen richt bliksemonderzoeker Brian Hare vanaf de grond zijn blik op onweerswolken. Hij gebruikt daarvoor de deels Nederlandse radiotelescoop Lofar, waarvan het hart zich bevindt in Drenthe, tussen Exloo en Buinen. De telescoop bestaat uit losse radioantennes waarvan de waarnemingen na afloop wiskundig aan elkaar worden geknoopt – interferometrie heet dat in sterrenkundejargon. Zo ontstaat effectief een reuzentelescoop.
Het instrument is bedoeld om de kosmos te onderzoeken. ‘Maar Lofar blijkt ook buitengewoon goed in het bestuderen van bliksem’, zegt Hare. Waar veel astronomen moeten concurreren voor waarneemtijd op het instrument, kan Hare er gebruik van maken wanneer hij maar wil. Op het moment dat onweerswolken over Lofar trekken, kunnen sterrenkundigen de antennes toch niet gebruiken voor hun eigen metingen.
‘We meten de radiostraling die bij bliksem vrijkomt’, zegt hij. ‘Doordat antennes dichterbij die pulsen eerder ontvangen dan de antennes die verder weg staan, kunnen we onder meer de positie van de bliksemschicht goed bepalen.’
Een bliksemschicht is in essentie een loeihete kolom vol geladen deeltjes – plasma, zeggen kenners – en Hare slaagt er met Lofar in om volledige driedimensionale reconstructies te maken van die bliksemschichten, inclusief hun ontwikkeling door de tijd. ‘Onze resolutie is ongeveer een meter – dat wil zeggen dat we daadwerkelijk kunnen zien wat het plasma doet tijdens het begin en de eerste groei van de bliksemschicht.’
Momenteel krijgt Lofar een upgrade, waardoor Hare de recente bliksems boven Nederland gemist heeft. ‘Dat doet wel een beetje pijn, maar we zitten bijna aan het eind van deze fase. Hopelijk doen we later deze zomer weer onze eerste testmetingen, en dan zijn we volgend jaar back in business.’
De lijst wetenschappelijke vragen die hij en zijn collega’s willen beantwoorden is lang, zegt hij, ‘maar de grootste vraag is toch dit: hoe werkt bliksem op de schaal van meters? Eerdere waarnemingen hebben simpelweg niet genoeg detail en computersimulaties zijn eigenlijk te duur om op die fijnmazige schaal te laten draaien. Met Lofar hebben we de kans dat regime te onderzoeken – voor het eerst.’
En zoals wel vaker in de geschiedenis van het bliksemonderzoek, roepen ook de waarnemingen van Hare en collega’s met Lofar weer nieuwe vragen op. ‘Lofar is zodanig gevoelig dat we de eerste vonk van een bliksemschicht kunnen zien’, zegt hij, en toont op zijn scherm een nog niet gepubliceerd onderzoek, gebaseerd op meetgegevens van voor de Lofar-upgrade.
‘Ik wil je hier niet nog te veel van laten zien, want dit onderzoek is nog niet geaccepteerd in een vakblad, maar dit bouwt voort op onze eerdere metingen. We zagen tijdens deze meting de eerste 2,5 milliseconden van een bliksemschicht – deze zat op 3,7 kilometer hoogte. En zie je dit hier? Niemand ter wereld kan dit nog zien. Dit is een extreem stil proces dat echt alleen kan worden gemeten met iets als Lofar’, zegt hij, terwijl hij wijst naar een van de plaatjes van zijn meetresultaten, waarop een soort oranje langwerpige sigaar te zien is, die naar boven wijst.
‘We denken dat bliksems beginnen met streamers, een soort protobliksems, die positief geladen zijn en rap omhoogbewegen. Dat is vermoedelijk wat je hier ziet, alleen is wat we hebben waargenomen heel dun. Dat is raar omdat je zou verwachten dat positief geladen plasma, zodra het vrijkomt, uitdijt met de tijd. Dat gebeurt hier niet. Het plasma blijft gedurende 100 meter zo dun. Dat is weer een nieuw mysterie. Andere onderzoekers zijn hier heel opgewonden over, maar ze zijn nog net zo in verwarring als wij.’
Hare werkt samen met onder meer Marisaldi en Nijdam, zoals alle bliksemonderzoekers in Nederland en Europa elkaar kennen en samenwerken. ‘Dit is een klein wereldje’, zegt hij.
‘We willen onze krachten bundelen. Wij zien met Lofar deze dingen voor het eerst, en dat is leuk, maar tegelijk lastig. We kunnen elkaar daarom maar beter helpen. Martino (Marisaldi, red.) is bijvoorbeeld erg goed in het waarnemen van hoogenergetische gammastraling. Ik zou best benieuwd zijn of wat hij ziet tegelijk gebeurt met wat Lofar ziet’, zegt hij.
De geplande vliegtuigmeetcampagne met Enlighten biedt straks een eerste stap in die richting, maar dan met radio-ontvangers rond de kust van Mexico, niet die van Lofar. ‘We willen graag een flink convectieve onweersbui doormeten met zowel onze apparatuur aan boord van het vliegtuig, als met instrumenten op de grond’, zegt Marisaldi.
Ondertussen onderzoekt Nijdam in Eindhoven bliksem juist in de beter controleerbare omgeving van een laboratorium. Net als de rest van het veld, is wat hij daar doet pionierswerk. ‘Toen ik op gesprek kwam voor onze ERC-beurs, vroegen de beoordelaars: wie zijn je concurrenten? Ik zei: die zijn er eigenlijk niet. Mijn promovendi en ik zijn voor zover ik weet de enigen ter wereld die dit type onderzoek doen.’
Dat onderzoek gebeurt in een groot vacuümvat van 6 kubieke meter, waarin hij vonken kan opwekken die 70 tot 80 centimeter lang zijn. ‘Ik heb drie promovendi die elk één onderwerp onderzoeken’, zegt hij. Eentje kijkt naar hoe bliksems beginnen, in dit geval door kleine metalen of keramische deeltjes in het vacuümvat toe te voegen, om te zien hoeveel makkelijker een ontlading dan begint – een manier om de ijspegeltheorie in de praktijk te testen. ‘Tot nog toe is die hele hypothese gebaseerd op modelwerk, het is eigenlijk nog nooit getest in de praktijk’, zegt Nijdam.
Een tweede kijkt naar wat er gebeurt na de start, naar hoe de bliksems zich vervolgens voortplanten – een tak van het bliksemonderzoek waarin ook nog veel open vragen bestaan. ‘En de derde kijkt naar röntgenstraling’, zegt hij. ‘Eigenlijk hetzelfde als gammastraling, maar dan met wat minder energie.’
Het idee is dat de natuurkundige processen in het vat vergelijkbaar moeten zijn met wat er in de onweersbui gebeurt, maar dan op kleinere schaal en bij lagere energie. Als de leaders – de voorlopers van een bliksemschicht – botsen, kan daarbij straling vrijkomen. Röntgenstraling in Nijdams testopstelling, gammastraling in de echte wolk. ‘Kunnen we dat detecteren? Dat is nog een open vraag. We willen eindelijk snappen waarom dit soort straling uit bliksem komt.’
* De kans om getroffen te worden door de bliksem is klein. De Amerikaanse CDC spreekt over een kans van minder dan 1 op een miljoen.
* Een inslag is minder dodelijk dan je zou denken. Bijna 90 procent van de mensen die getroffen wordt door de bliksem kan het voorval navertellen, zo blijkt uit dezelfde cijfers.
* De Amerikaanse parkwachter Roy Sullivan is de officiële recordhouder ‘blikseminslagen overleven’. Volgens Guinness World Records werd hij tussen 1942 en 1977 in totaal zevenmaal geraakt. Omdat zijn haar steeds in de brand vloog, had hij na de vierde treffer altijd een kan water bij zich om het vuur te doven. Ook zijn vrouw werd eenmaal door de bliksem geraakt. Het leverde de in 1983 overleden Sullivan de bijnaam ‘the human lightning rod’ op, de menselijke bliksemafleider.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant