In der Regel stammen Gammastrahlen aus dem Weltall – aber nicht nur. Auch in der irdischen Atmosphäre werden solche energiereichen Strahlen erzeugt. Doch bisher war ihre Ursache ein absolutes Rätsel. Jetzt haben Wissenschaftler bestimmte Arten von Gewitterwolken als mögliche Auslöser dingfest gemacht.
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Forscher der amerikanischen Duke Universität führten die bisher detailliertest Analyse von möglichen Verbindungen zwischen Blitzen und den mysteriösen Gammastrahlenemissionen in der Erdatmosphäre durch. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Strahlen in überraschend geringer Höhe in Gewitterwolken entstehen. Zudem scheinen sie einer Blitzentladung vorauszugehen, und nicht, wie erwartet, in seiner Folge emittiert zu werden.
“Das alles kommt für uns sehr überraschend”, erklärt Steven Cummer, Assistenzprofessor für Elektronik und Computerwissenschaften an der Duke Universität. „Diese Gammastrahlen sind stärker als die von der Sonne. Und trotzdem stammen sie von der Art von Gewitter, die wir die die ganze Zeit sehen.“ Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht.
Rätselhafte Ausbrüche in der Atmosphäre
Natürliche Emissionen von Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts, werden normalerweise nur von sehr energiereichen Ereignissen im Weltall, wie beispielsweise thermonuklearen Reaktionen in der Sonne, Interaktionen zwischen kosmischen Strahlen oder Sternenkollapsen ausgelöst. Erst 1994 entdeckten Wissenschaftler mithilfe des Compton Gamma Ray Observatory erstmals Gammastrahlen, die scheinbar nahe der Erdoberfläche entstanden. Erste Vermutungen, dass Blitze dabei eine entscheidende Rolle spielten, folgten bald darauf.
2002 begann der Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) Satellit seine Arbeit in der Umlaufbahn der Erde – und registrierte prompt große Mengen dieser so genannten terrestrischen Gammastrahlen-Blitze (TGF).
In der neuen Studie nutzten Cummer und seine Kollegen den RHESSI-Satelliten, um die Gammastrahlenblitze mit den Blitzereignissen über einem umgrenzten Gebiet über vier Monate hinweg kontinuierlich zu beobachten und zu vergleichen. Tatsächlich konnten die Forscher Bitzepisoden zeitlich und räumlich mit von RHESSI aufgenommenen Gammablitzen korrelieren.
Gängiges Erklärungsmodell in Frage gestellt
Ihre Ergebnisse werfen jedoch auch die Frage auf, wie gut die Verbindung zwischen Blitzen und Gammastrahlen durch das bisher favorisierte Erklärungsmodell des „runaway breakdown“ erklärt werden kann. Dieses geht davon aus, dass Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und der Atmosphäre zunächst hochenergetische Elektronen erzeugt. Diese werden durch starke elektrische Felder, wie sie beispielsweise bei einem Blitz entstehen, beschleunigt und dann, in Höhen von 30 bis 50 Kilometern über der Erdoberfläche als energiereicher Elektronenstrahl emittiert. Bei der Wechselwirkung dieses Strahls mit der Atmosphäre entstehen Gammastrahlen.
„Wenn dies der Mechanismus wäre, dann müssten wir enorme Blitzschläge mit jedem dieser Gammastrahlenausbrüche sehen“, kommentiert Cummer. „Aber wir stellten fest, dass dies eindeutig nicht der Fall war.“ Stattdessen waren die Blitze, die seine Forschergruppe analysierte, 50 bis 100 Mal schwächer als diejenigen, die theoretische zur Erzeugung von Gammastrahlen gebraucht werden würden.
Niedriger und früher als erwartet
Die neuen Untersuchungen deuten stattdessen darauf hin, dass die Gammastrahlen in weitaus geringerer Höhe entstehen. „Starke Felder in oder knapp über den Gewitterwolken haben die TGFs ausgelöst“, so Cummer. „Es muss noch immer der runaway breakdown sein, der sie erzeugt. Die einzige Möglichkeit ist, dass das Ganze sich viel näher an der Wolkenspitze abspielt und mit etwas anderem verbunden ist, dass in der Wolke passiert.“
Interessanterweise zeigten die Ergebnisse auch, dass die Gammastrahlen nicht nach, sondern sogar 1,24 Millisekunden vor einem Blitz entstanden. „Das war etwas, dass wir so absolut nicht erwartet hatten“, erklärt der Wissenschaftler. „Aber die Koinzidenz zwischen Blitzen und Gammastrahlen ist zu gut um zufällig zu sein. Das bedeutet, dass selbst wenn die Gammastrahlen kurz vor dem Blitz entstehen, müssen sie in irgendeiner Weise verbunden sein.“
Eine Vermutung dazu hat der forscher auch schon: „Vielleicht werden TGFs durch einen Prozess ausgelöst, der sich während der Entwicklung eines solchen Blitzes abspielt, aber eben rund eine Millisekunde vor dem Blitz selbst.“
(Duke University, 03.05.2005 – NPO)
