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Samstag, 27.08.2016
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Schwerewellen verursachen Kobold-Blitze

Forscher enträtseln atmosphärische Bedingungen oberhalb von Gewitterwolken

Rätselhafte Himmelslichter: Blitzeinschläge am Boden können auch oberhalb von Gewitterwolken spektakuläre Entladungen fast bis in 100 Kilometer Höhe auslösen. Einen wichtigen Faktor bei der Entstehung dieser "Sprites" haben Wissenschaftler nun ausgemacht: Schwerewellen in der oberen Atmosphäre verstärken demnach Störungen in elektrischen Feldern und lassen so die Blitze auch weit nach oben ausschlagen, schreiben die Forscher im Journal "Nature Communications".
Falschfarben-Aufnahme von Sprites über einem Gewitter in Kansas aus dem Jahr 2000

Falschfarben-Aufnahme von Sprites über einem Gewitter in Kansas aus dem Jahr 2000

Die Blitze bei einem starke Gewitter bieten schon vom Boden aus gesehen einen spektakulären Anblick. Trotz intensiver Gewitterforschung werfen sie jedoch noch viele Fragen auf - und noch viel rätselhafter ist, was oberhalb einer Gewitterwolke geschieht: Bei starken Blitzeinschlägen flackern dort ebenfalls elektrische Entladungen bis in Höhen von 80 Kilometern in der Mesosphäre, oberhalb der Stratosphäre. Wie sie so flüchtig und rätselhaft sind, erhielten diese Blitze die Bezeichung "Sprites", englisch für "Kobolde". Wissenschaftlich belegt sie erst seit 1989. Wie sie entstehen ist aber noch weitgehend unklar.

Feuerwerk in der Mesosphäre


Sprites sind manchmal bei Nacht mit bloßem Auge vom Boden aus erkennbar, die meisten Aufnahmen stammen aber bisher von Flugzeugen, Space Shuttles oder der Internationalen Raumstation. Sie sind meist rötlich gefärbt und erscheinen wie eine Stichflamme, die sich nach oben verzweigt. Viele haben auch strahlenartige Ausläufer nach unten und erinnern geradezu an eine explodierende Feuerwerksrakete – allerdings mit einem Lichterspiel von bis zu 50 Kilometern im Umkreis.

Hochgeschwindigkeits-Video eines Sprites bei etwa 20 Sekunden, davor ist die schwach glühende Halo erkennbar.

Wissenschaftler um Ningyu Liu vom Florida Institute of Technology haben nun etwas Licht in die rätselhaften Sprites und ihre Entstehung gebracht: Sie analysierten Aufnahmen eines Sprites, die mittels zweier Hochgeschwindigkeitskameras von Forschungsflugzeugen aus aufgenommen worden waren. Mit diesen Informationen erstellten und bestätigten sie ein Computermodell über die Vorgänge in der oberen Atmosphäre während dieser elektrischen Entladungen.


Die Bedingungen müssen stimmen


Dem Modell zufolge leisten Schwerewellen in den oberen Luftschichten einen wichtigen Beitrag zu den Sprites. Die Wellen verursachen Störungen und Wirbel, die sich durch die elektrische Entladung eines starken Blitzes noch verstärken. Im elektrischen Feld oberhalb einer Gewitterwolke können diese Störungen dann einen Sprite zünden.

Allerdings müssen die Bedingungen stimmen: "Wenn die Störung zu groß ist, ist die Entstehung von Sprites unmöglich", erklärt Liu. "Wenn das Ausmaß der Störung klein ist, dauert es eine relativ lange Zeit, bis Sprites einsetzen können." Das Modell sagt außerdem voraus, dass den Sprites eine Art Glühen vorangeht. Auch diese sogenannte Halo lässt sich mit bisherigen Beobachtungen bestätigen.

Nachgefärbtes Bild eines Sprites, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aus einem Flugzeug.

Nachgefärbtes Bild eines Sprites, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aus einem Flugzeug.

Noch viele weitere Phänomene?


Wie und unter welchen Bedingungen Sprites entstehen, ist nicht nur für Gewitterforscher interessant: Elektrische Entladungen in der Mesosphäre können auch die darüber liegende Ionosphäre beeinflussen. Damit könnten sie manche Kommunikationssignale beeinträchtigen oder sogar unterbrechen. Auch für besonders hoch steigende Wetterballons stellen Sprites eine mögliche Gefahr dar.

Das erstellte Modell könnte außerdem dabei helfen, die verantwortlichen Turbulenzen in der Mesosphäre besser zu erforschen. Diese sind nämlich bislang nahezu unmöglich direkt zu beobachten. Desweiteren deutet das Computermodell Liu zufolge auf lichtschwache und deshalb bislang unbeobachtete Himmelslichter hin: "Es könnte noch viele interessante Phänomene geben, die auf ihre Entdeckung mit empfindlicheren Geräten warten." (Nature Communications, 2015; in Press)
(Florida Institute of Technology, 29.06.2015 - AKR)
 
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