Wetenschap

Bliksemschicht met recordlengte van honderden kilometers gespot

De wijdvertakte ontlading was slechts een van de vele ontdekkingen die werden gedaan toen wetenschappers nog eens keken naar satellietgegevens die vaak over het hoofd worden gezien.dinsdag 27 augustus 2019

Door Maya Wei-Haas
In deze computerweergave hangt een onweerswolk boven het zuiden van Brazilië en Uruguay. De bliksemschicht op deze foto is 257 kilometer lang, iets meer dan een derde van de onlangs gedetecteerde spinbliksem die het vorige record heeft gebroken.

Toen hij op een avond aan het werk was, staarde Michael Peterson, expert in satellietopnamen van het Los Alamos National Laboratory, naar een spin van reusachtige proporties. Hij keek echter niet naar een beest met acht poten, maar naar een monsterlijk grote bliksemschicht die zich op zijn monitor ontvouwde: een zogenaamde spinbliksem, oftewel een wijdvertakt netwerk van lichtflitsen dat zich over een afstand van honderden kilometers door stormachtige luchten kan uitstrekken.

“Ik wist niet wat ik zag,” zegt hij.

Zijn analyse van de satellietbeelden leverde twee bliksemschichten van ongekende lengte en duur op. De ene, boven Brazilië, was de langste ooit gemeten en was van kop tot staart 672 kilometer lang, vergelijkbaar met de afstand tussen Amsterdam en München. De andere lichtte maar liefst 13,5 seconden lang de hemel boven het midden van de VS op, eveneens een record. Een derde bliksemschicht boven het zuiden van de VS vertakte zich over een gebied van 115.000 vierkante kilometer, vergelijkbaar met de oppervlakte van de staat Ohio. (Officiële gegevens over bliksemschichten naar oppervlakte worden niet bijgehouden, dus is niet vast te stellen of het hier om een record ging.)

De voorgaande recordhouders onder de bliksemschichten “stelden onze standaardopvattingen over bliksems al ter discussie,” zegt Peterson, en deze recente megabliksems “doen de grens van wat we onder een bliksem verstaan, nog verder opschuiven.”

Op deze kaart is de grootste bliksemschicht ingetekend die in de satellietgegevens werd ontdekt. Deze schicht vertakte zich over een gebied van 115.000 vierkante kilometer boven meerdere Amerikaanse staten. Op de balk onderaan zijn de energie en omvang van de afzonderlijke ontladingen op een tijdschaal uitgezet.

De identificatie van zulke enorme bliksemschichten toont ook aan hoe krachtig de nieuwste weersatellieten van de NOAA, GOES-16 en GOES-17, zijn. Peterson kan zijn nieuwe, geautomatiseerde verwerkingssysteem op de bliksemgegevens van deze satellieten uittesten, zoals hij in een wetenschappelijk artikel in de Journal of Geophysical Research Atmospheres beschrijft. Zijn systeem verwerkt de meest complexe gegevens over bliksems die vanuit de ruimte worden waargenomen. 

De satellieten zullen onderzoekers niet alleen meer inzicht bieden in allerlei meteorologische gevaren, maar ook weerspatronen op lange termijn kunnen spotten, waardoor bijvoorbeeld het verband tussen klimaatverandering en onweersstormen beter kan worden begrepen. (Lees meer over de 48 bliksemschichten die in de buurt van de Noordpool zijn waargenomen – en waarom dat abnormaal is.)

“Bliksemwetenschap is een relatief nieuw terrein, dat zich net zo snel ontwikkelt als de instrumenten waarmee we deze fenomenen kunnen waarnemen,” zegt Kristin Calhoun, een onderzoekster van het National Severe Storms Laboratory van de NOAA die niet bij de nieuwe studie was betrokken. De gegevens van de nieuwe satellieten “stellen ons in staat om bliksem te bestuderen zoals we dat niet eerder hebben kunnen doen.”

Anatomie van bliksem

De fenomenen die in deze recente studie worden beschreven, zijn zogenaamde spinbliksems. Terwijl normale bliksemschichten doorgaans uit verticale flitsen bestaan, jaagt een spinbliksem horizontaal door het wolkendek.

Spinbliksems ontstaan doorgaans in de nasleep van complexe stormsystemen die zich in instabiele atmosfeer vormen, vaak in gebieden waar warme, vochtige lucht door een laag koele, droge lucht naar grote hoogte wordt gestuwd.

Terwijl de warme luchtmassa opstijgt, daalt de temperatuur razendsnel en ontstaan condensdruppeltjes en uiteindelijk scherfjes van ijs. Al deze componenten – de ijsscherfjes, de druppels en het waterijs ertussenin – proberen hun eigen plek in het systeem te vinden, waarbij sommige een positieve lading en andere een negatieve lading aannemen. Uiteindelijk groeperen de deeltjes zich al naar gelang hun lading en treedt er ladingsscheiding in de onweerswolken op: het systeem is nu ‘geladen’ en klaar om bliksemschichten te produceren. 

Binnen de opstijgende wolk raken de zwaardere ijsdeeltjes elkaar vaak, waardoor het systeem snel wordt opgeladen en in verticale bliksemschichten wordt ontladen. Maar op enige afstand van deze turbulente zone bevindt zich stabielere, stratiforme of horizontaal gelaagde bewolking waarin de elektrische lading zich veel langzamer en over een veel breder gebied opbouwt. Wanneer er in dit gebied uiteindelijk bliksem ontstaat, zijn het dan ook reuzenbliksems.

Een van de schichten die Calhoun voor zijn laatste onderzoek met ontzag beschreef, “kwam voort uit één elektrische lading die binnen tien seconden het oosten van Texas met het zuiden van Arkansas verbond.”

Overvloed aan gegevens

Voor zijn nieuwe analyse deed Peterson een beroep op gegevens die in 2018 boven Noord- en Zuid-Amerika werden vergaard door GOES-16 en GOES-17, satellieten die op een hoogte van een kleine 36.000 kilometer boven de aarde zweven. Ze bevinden zich in een geostationaire baan, wat betekent dat hun omloopsnelheid samenvalt met de rotatiesnelheid van de aarde, waardoor het paar op een vast punt aan de hemel staat. Het duo is uitgerust met de Geostationary Lightning Mapper (GLM), in feite een extreem geavanceerde videocamera die met een snelheid van 550 frames per seconde fotonen in een zeer smalle band van frequenties opvangt.

De twee satellieten bestuderen permanent bijna de helft van het aardoppervlak, van het oosten van Australië tot de westkust van Afrika, waardoor ze een ongekende hoeveelheid informatie over onze planeet vergaren. Alleen al in 2018 registreerde het instrument zo’n 360 miljoen bliksemontladingen boven Noord- en Zuid-Amerika. De gegevens worden in realtime naar computers op de grond verzonden, maar het systeem is nog niet perfect.

“Het grootste voordeel van het systeem is tegelijk zijn grootste uitdaging,” zegt Peterson. “De hoeveelheid data is namelijk kolossaal.”

Vanwege het dataverkeer in realtime kunnen sommige bliksems té complex voor de verwerkingssoftware zijn. Als dat gebeurt, wordt een bliksem door een algoritme in verschillende momentopnamen geknipt, waarna deze ‘versneden’ stukken bliksem door het systeem worden aangemerkt als van lage kwaliteit en tijdens nadere analyses door onderzoekers vaak worden genegeerd.

Dat gold in 2018 voor zo’n vier procent van alle gegevens, oftewel zo’n 14,4 miljoen afzonderlijke bliksems. In de woorden van Peterson zijn dat “ongeveer evenveel bliksems als de voorgaande satellieten gedurende de hele duur van hun missie konden waarnemen.”

Dankzij Petersons geautomatiseerde verwerkingsmethode kunnen de vele puzzelstukjes van licht nu aan elkaar worden geplakt. Het resultaat: wijdvertakte, spinvormige bliksemschichten van enorme omvang.

Terwijl de door hem ontdekte megaspinbliksems als recordhouders nog erkend moeten worden door de Wereldmeteorologische Organisatie (WMO) van de VN, hebben zijn nieuwe spinbliksems de vorige records ongeveer verdubbeld. In 2007 werd een bliksemschicht over een afstand van 322 kilometer boven Oklahoma waargenomen en in 2012 duurde een ontlading boven Zuid-Frankrijk 7,74 seconden.

Flitstraject

“Op het eerste gezicht vind ik het heel indrukwekkend dat hier dingen uit de gegevens zijn gehaald die in de normale datastroom niet goed werden weergegeven,” zegt Edward Mansell, natuurkundige van het Severe Storms Laboratory van de NOAA.

Calhoun is het daarmee eens en zegt dat het jongste onderzoek laat zien hoe krachtig sommige onweersstormen kunnen zijn. Maar ze wijst er ook op dat het lastig is om vast te stellen of er sprake is van één bliksemontlading of van een snelle opeenvolging van afzonderlijke schichten. Wanneer een bliksemschicht door het wolkendek raast, wordt een deel van zijn lading naar de aarde afgevoerd, waardoor het elektrisch veld verandert en er vaak een tweede bliksemschicht ontstaat en zich dan door het wolkendek begint te verspreiden. “Als je dat met een optische sensor als de GLM zou bekijken, zou je die breuk niet kunnen zien,” zegt zij.

Systemen op de grond, zoals de antennes die de vorige recordhouders wisten te registreren, speuren een stuk hemel op radiogolven af en stellen daarvan een 3D-kaart met hoge resolutie van de bliksems samen. Maar dat soort systemen hebben een veel kleiner bereik dan satellieten, zegt Peterson. Een combinatie van beide methoden levert waarschijnlijk de beste inzichten in de opbouw en eigenschappen van bliksemschichten op.

Toch biedt deze nieuwe studie niet alleen een fascinerend inkijkje in de enorme hoeveelheid gegevens die naar de aarde worden verzonden maar roept ze ook belangrijke vragen op over de gevaren van bliksem.

Deze monsterschichten doen zich namelijk voor op momenten dat het voor mensen op de grond lijkt alsof de storm al is overgetrokken, zegt Peterson. Het regent waarschijnlijk niet meer en misschien zijn er ook een tijdje geen bliksems meer te zien. Maar vervolgens kan zich een spinbliksem ontvouwen en zich binnen een kwestie van seconden over honderden kilometers uitstrekken.

Het is van groot belang om meer inzicht te krijgen in de onberekenbaarheid van deze onweerswolken, zegt Calhoun. “Zelfs als je geen bliksems ziet, kan zich daarboven nog heel wat activiteit afspelen.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Abnormaal: waarom sloeg de bliksem 48 keer in bij de Noordpool?

Wetenschappers waren verrast toen ze vorig weekend tientallen bliksemschichten op ruim vijfhonderd kilometer van de Noordpool registreerden.

Wereldkaart: waar zijn de meeste bliksems te zien?

Deze week kun je meerdere clusters van hemellichamen zien. Maar als je geen voor- of achtertuin hebt, of er is te veel kunstmatig licht in de stad, waar ga je dan heen om sterren te kijken?