De bliksem blijft een raadsel. Wat experts wel weten - en waar ze snel achter hopen te komen

In dit artikel:

Bliksem is wereldwijd een alledaags verschijnsel, maar het precieze begin van een ontlading is nog altijd niet verklaard. Elke seconde ontstaan naar schatting tientallen bliksemschichten, meestal verborgen in dichte en gevaarlijke onweerswolken. Nieuwe meetmethoden brengen onderzoekers wel steeds dichter bij een antwoord.

Onweer begint wanneer warme, vochtige lucht krachtig opstijgt. Hoog in de wolk botsen ijskristallen, waterdruppels, hagel en sneeuwachtige deeltjes met elkaar. Bij die botsingen wordt elektrische lading uitgewisseld. Zwaardere deeltjes krijgen doorgaans een negatieve lading en zakken naar beneden, terwijl lichtere positief geladen deeltjes met de stijgende lucht omhooggaan. Zo ontstaat een sterk elektrisch veld. Waarom dat veld vervolgens de allereerste ontlading veroorzaakt, is echter onduidelijk.

Lange tijd gingen fysici ervan uit dat het ladingsverschil in een wolk vanzelf elektronen in beweging kon brengen, net zoals in laboratoriumproeven met geladen metalen bollen. Metingen vanuit weerballonnen lieten in de twintigste eeuw zien dat de elektrische velden in onweerswolken daarvoor meestal veel te zwak zijn. Een later voorstel stelde dat scherpe ijsdeeltjes plaatselijk een veel sterker veld kunnen opbouwen, maar ook daarvoor ontbreekt nog een overtuigende experimentele bevestiging.

Een andere belangrijke aanwijzing kwam van satellieten die zeer energierijke gammastraling detecteerden boven onweerswolken. Mogelijk starten kosmische deeltjes, die met hoge snelheid de atmosfeer binnendringen, een kettingreactie van elektronen. Die reactie zou de eerste fase van een bliksemontlading kunnen vormen en tegelijk gammastraling veroorzaken. Onderzoekers achten die verklaring niet uitgesloten, maar evenmin afdoende. Waarschijnlijk kunnen meerdere processen bliksem op gang brengen.

De Aloft-missie uit 2023 leverde nieuwe aanwijzingen op. Met een vliegtuig vlogen onderzoekers boven onweersgebieden in en rond de Golf van Mexico en onderzochten zij de straling die uit de wolken kwam. Zij zagen veel meer activiteit dan verwacht, waaronder gammastraling zonder zichtbare bliksem. Ook ontdekten ze zogenoemde flikkerende gammaflitsen, die wel theoretisch waren voorspeld maar nog niet eerder waren waargenomen. Volgens de onderzoekers zou ongeveer 97 procent van de gemeten gammaflitsen vanaf de ruimte onzichtbaar zijn geweest.

Een vervolgproject, Enlighten, moet verschillende verklaringen rechtstreeks toetsen. De onderzoekers willen niet alleen vaststellen óf gammastraling aanwezig is, maar ook de herkomst en eigenschappen ervan nauwkeuriger bepalen. Daarvoor zijn betere detectoren nodig. Tijdens een nieuwe meetcampagne worden instrumenten in een vliegtuig gecombineerd met apparatuur op de grond, zodat dezelfde onweersbui vanuit meerdere posities kan worden gevolgd.

Vanaf de aarde bestudeert fysicus Brian Hare bliksem met LOFAR, een netwerk van radioantennes waarvan het centrale deel in Drenthe staat. Door de signalen van de afzonderlijke antennes wiskundig samen te voegen, ontstaat een zeer gevoelige radiotelescoop. De aankomsttijden van radiosignalen maken het mogelijk bliksemschichten ruimtelijk te lokaliseren en hun ontwikkeling tot op ongeveer een meter nauwkeurig te reconstrueren.

LOFAR kan daardoor de eerste milliseconden van een ontlading onderzoeken. Voorlopige metingen wijzen op een smalle, positief geladen voorloper die snel omhoog beweegt. Opvallend is dat dit plasma over een afstand van ongeveer honderd meter nauwelijks breder lijkt te worden, terwijl dat volgens bestaande verwachtingen wel zou moeten gebeuren. De waarneming is nog niet gepubliceerd en roept een nieuw probleem op: hoe gedraagt de eerste, uiterst kleine fase van bliksem zich precies?

LOFAR wordt momenteel vernieuwd, waardoor nieuwe metingen tijdelijk beperkt zijn. De onderzoekers willen de radiowaarnemingen uiteindelijk koppelen aan de gammastralingsmetingen van vliegtuigmissies. Zo kunnen zij nagaan of verschijnselen die in radio zichtbaar zijn gelijktijdig optreden met energierijke straling.

In Eindhoven onderzoekt Sander Nijdam bliksem onder gecontroleerde omstandigheden. In een vacuümvat van zes kubieke meter laat zijn onderzoeksgroep vonken van 70 tot 80 centimeter ontstaan. Eén onderzoekslijn test of kleine metalen of keramische deeltjes ontladingen makkelijker laten beginnen, als model voor de rol van scherpe ijsdeeltjes in onweerswolken. Andere projecten richten zich op de verdere groei van de vonk en op de röntgenstraling die daarbij kan ontstaan.

De laboratoriumproeven bootsen de omstandigheden in een onweerswolk niet volledig na, maar maken het mogelijk afzonderlijke processen te isoleren. Door metingen vanuit vliegtuigen, radiotelescopen en experimenten in het lab te combineren, hopen onderzoekers uiteindelijk te verklaren hoe een bliksemkanaal ontstaat en zich uitbreidt. Vooralsnog levert iedere nieuwe techniek niet alleen antwoorden op, maar ook nieuwe vragen.