Jedes Jahr verursachen Blitze weltweit mehr als 4000 Todesfälle und Schäden in Milliardenhöhe. Die Schweiz selbst wird jährlich von bis zu 150.000 Blitzen heimgesucht. Das genaue Verständnis der Entstehung von Blitzen ist für die Risikominimierung von entscheidender Bedeutung. Da Blitzphänomene jedoch auf Zeitskalen von weniger als einer Millisekunde auftreten, ist es extrem schwierig, direkte Messungen zu erhalten.
Wissenschaftler des Labors für elektromagnetische Verträglichkeit, das von Farhad Rachidi von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL geleitet wird, haben heute zum ersten Mal ein schwer fassbares Phänomen direkt gemessen, das einen Großteil der Entstehung eines Blitzes erklärt: Röntgenstrahlen. In einer gemeinsamen Studie mit der Fachhochschule Westschweiz und der Universität Uppsala (Schweden) zeichneten sie Blitze auf dem Turm auf dem Gipfel des Säntis in der Nordostschweiz auf und identifizierten die Röntgenstrahlen, die zu Beginn eines positiven Aufwärtsblitzes ausgesendet wurden. Diese Blitze beginnen mit negativ geladenen Ranken (Tracern), die von einem hoch gelegenen Objekt allmählich aufsteigen, bevor sie auf eine Gewitterwolke treffen und so eine positive Ladung auf den Boden übertragen.
"Auf Meereshöhe sind aufsteigende Blitze selten, aber in großen Höhen könnten sie zum vorherrschenden Typ werden. Sie können auch mehr Schaden anrichten, denn während eines Aufwärtsblitzes bleibt der Blitz länger in Kontakt mit einer Struktur als bei einem Abwärtsblitz, sodass er mehr Zeit hat, eine elektrische Ladung zu übertragen", erklärt Toma Oregel-Chaumont, der am Laboratorium für elektromagnetische Verträglichkeit promoviert.
Obwohl Röntgenemissionen bereits bei anderen Arten von Blitzen beobachtet wurden, ist dies das erste Mal, dass sie bei aufsteigenden positiven Blitzen aufgezeichnet wurden. Toma Oregel-Chaumont sagt, dass sie wertvolle Informationen über die Entstehung von Blitzen, insbesondere von aufsteigenden Blitzen, liefern.
"Der Mechanismus, der die Auslösung und Ausbreitung von Blitzen verursacht, ist immer noch ein Rätsel. Die Beobachtung des aufsteigenden Blitzes von hohen Strukturen wie dem Säntis-Turm aus ermöglicht es, Röntgenmessungen mit anderen gleichzeitig gemessenen Größen wie Hochgeschwindigkeitsvideobeobachtungen und elektrischen Strömen zu korrelieren."
Die Beobachtungen wurden in der Zeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht .
Eine einzigartige Beobachtungsmöglichkeit
Es ist vielleicht nicht überraschend, dass die neuesten Beobachtungen in der Schweiz gemacht wurden, da der Säntis-Turm einzigartige und ideale Messbedingungen bietet. Der 124 Meter hohe Turm befindet sich auf einem hohen Gipfel in den Appenzeller Alpen, was ihn zu einem bevorzugten Ziel für Blitzeinschläge macht. Die Sichtlinie ist von den benachbarten Gipfeln aus frei und die umfangreiche Forschungsanlage ist mit Hochgeschwindigkeitskameras, Röntgendetektoren, Sensoren für das elektrische Feld und Strommessgeräten ausgestattet.Dank der Geschwindigkeit und Empfindlichkeit dieser Anlage konnte das Team einen Unterschied zwischen den Sprüngen von negativen Tracern, die Röntgenstrahlen aussenden, und solchen, die keine Röntgenstrahlen aussenden, feststellen, was eine Theorie der Blitzentstehung, das sogenannte Cold-Electron-Runaway-Modell, bestätigte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verbindung von Röntgenstrahlen mit sehr schnellen Veränderungen des elektrischen Feldes die Theorie untermauert hat, dass plötzliche Erhöhungen des elektrischen Feldes der Luft dazu führen, dass die Elektronen in der Umgebung "fliehen" und sich in Plasma verwandeln: Blitze.
"Als studierter Physiker weiß ich es zu schätzen, die Theorie hinter den Beobachtungen zu verstehen, aber diese Informationen sind auch wichtig, um Blitze aus technischer Sicht zu verstehen: Immer mehr Bauwerke in großer Höhe, wie Windkraftanlagen und Flugzeuge, werden aus Verbundwerkstoffen hergestellt. Diese sind weniger leitfähig als Metalle wie Aluminium und erhitzen sich daher stärker, was sie anfällig für Schäden durch aufsteigende Blitze macht", sagt Toma Oregel-Chaumont.
Die Beobachtungen auf dem Gipfel des Säntis - der jährlich von mehr als 100 Blitzen getroffen wird - werden fortgesetzt. Später planen die Wissenschaftler, den Turm mit einem Mikrowellensensor auszustatten. So könnte festgestellt werden, ob das Kalte-Rausch-Modell auch für Downburst-Blitze gilt, denn im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Mikrowellen von den Wolken aus gemessen werden.
