Tel eens langzaam tot drie. Klaar? In die drie seconden zijn er op aarde zo’n 150 bliksemschichten ingeslagen.
Elk jaar slaan er wereldwijd 1,4 miljard bliksemschichten in, en nu blijkt uit metingen van satellieten en het internationale ruimtestation ISS dat er net zo veel mysterieuze flitsen omhoog schieten, de atmosfeer in.
De waarnemingen bevestigen de 100 jaar oude theorie van de Schotse natuurkundige Charles Wilson dat de bliksems naar boven en beneden een reusachtig elektrisch circuit van de aarde maken.
Het is als een wereldwijde hartslag die de atmosfeer voortdurend oplaadt en ontlaadt – waardoor het klimaat in de toekomst op hol zou kunnen slaan.
De kracht van ruimtedeeltjes
Traditionele bliksem ontstaat wanneer hagel en ijskristallen tegen elkaar schuren in een donderwolk en elektronen losrukken.
De ijskristallen creëren een sterke positieve lading boven in de wolk, terwijl de hagel de onderkant sterk negatief geladen maakt. De negatieve lading wekt een positieve lading op aan de aardbodem vlak onder de wolk, en dat spanningsverschil wil gelijkgetrokken worden.
In een fractie van een seconde zigzagt er 200.000 ampère naar de grond. De lucht wordt door een reusachtige vonk verhit tot 30.000 °C en omgevormd tot een witheet plasma.
Elk jaar wordt de aarde getroffen door 1,4 miljard blikseminslagen, waarvan de meeste in Centraal-Afrika. De wereldkaart toont het aantal blikseminslagen per km2.
Meer dan 300 mensen kwamen om toen in 1807 de bliksem insloeg in een kruitfabriek in Luxemburg.
Maar eigenlijk is dat vreemd.
Toen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA in 2002 een vliegtuig door een onweerswolk stuurde om de elektrische spanningen daarin te meten tijdens de Crystal Face-missie, bleek dat het spanningsverschil veel te laag is om een blikseminslag te kunnen veroorzaken.
Wanneer je over een tapijt loopt, verliest het tapijt elektronen door de wrijving met je voeten. Die elektronen worden als statische elektriciteit verspreid door je lichaam, dat negatief geladen wordt.
Als je hand dan in de buurt komt van een metalen deurklink, ontstaat er een verrassend groot spanningsverschil van 3 miljoen volt/meter tussen je hand en de deurklink.
Het knettert en vonkt, en je hand krijgt een schok.
Maar het spanningsverschil in onweerswolken is slechts zo'n 200.000 volt/meter, of 1/15 van het voltage tussen je hand en de deurklink. De Russische natuurkundige Alexandr Gurevich heeft daarom de theorie ontwikkeld dat de bliksem wordt geholpen door energierijke protonen uit de ruimte.
Die protonen slaan elektronen los van de luchtmoleculen, waardoor een kettingreactie in de wolk op gang komt. Uiteindelijk schiet een vloedgolf van elektronen uit de donderwolk naar beneden door een bliksemkanaal en wordt de spanning als een bliksemschicht vereffend.
Ruimtedeeltjes geven bliksem stroom
De spanning in onweerswolken is te laag om elektronen uit moleculen te rukken en een flits te veroorzaken. Daarom denken wetenschappers dat energierijke protonen uit de ruimte meespelen.
1. Protonen rukken elektronen los
Energierijke protonen in de kosmische straling treffen voortdurend de bovenste atmosfeer van de aarde. Hier rukken ze elektronen uit zuurstof- en stikstofmoleculen en sturen ze buien van elektronen door de atmosfeer.
2. Kettingreactie loopt uit de hand
De bui van elektronen raakt een onweerswolk, waar ze steeds meer elektronen uit de luchtmoleculen rukken in een op hol geslagen kettingreactie. De negatief geladen elektronen verzamelen zich uiteindelijk in een klein gebied onder aan de donderwolk.
3. Bliksemkanaal verspreidt zich in schokken
Onder aan de wolk ontstaat een zogeheten bliksemkanaal, waarin de elektronen in schokken van 50-100 m naar beneden schieten in de richting van de positief geladen aardbodem. Vóór elke ruk verzamelen de elektronen zich aan het uiteinde van het bliksemkanaal in pauzes van 50 microseconden.
4. Positieve stroom schiet omhoog
Het bliksemkanaal vertakt zich vanuit de wolk naar beneden, en wanneer de langste tak het aardoppervlak nadert, schiet een positief geladen stroom omhoog naar het bliksemkanaal. De positieve stroom is meestal afkomstig van hoge punten als heuvels en bomen.
5. Bliksem slaat in
De samenkomst van het negatieve bliksemkanaal van de wolk en het positieve bliksemkanaal van de grond heft het spanningsverschil op. De energie komt vrij in een blikseminslag die een kwart seconde duurt en waarbij om de circa 0,04 seconde drie à vier bliksemschichten ontstaan.
De theorie van de wetenschappers over kosmische interferentie wordt ondersteund door metingen van satellieten en het ISS, die gammastralen uit onweerswolken hebben geregistreerd.
Gammastralen, de meest energierijke vorm van straling, worden uitgezonden aan het uiteinde van een bliksemkanaal, waar elektronen door kosmische deeltjes zijn versneld tot hoge energieën.
En bliksem schiet niet alleen tussen wolken en bodem – hij gaat ook hoog de atmosfeer in en verbindt de hele aardbol tot één wereldwijd elektrisch circuit.
Bliksem laadt wereldwijd circuit op
In 1909 voer de houten boot Carnegie 480.000 kilometer rond de wereld om de elektrische lading van de atmosfeer te meten. Elke dag registreerden wetenschappers een dagelijkse ‘puls’ boven zee, die bekend werd als de Carnegie-curve.
Na die ontdekking kwam de Schotse natuurkundige Charles Wilson in 1920 met de theorie dat de aardbodem en de onderkant van de ionosfeer op 50-80 kilometer hoogte fungeren als de negatieve en positieve elektrode van een reusachtige oplaadbare batterij.
Volgens Wilson wordt de batterij opgeladen door bliksem, en nu hebben de Amerikaanse atmosfeeronderzoeker Michael Peterson en zijn collega’s de theorie bevestigd met behulp van microgolfmetingen van satellieten.
Bliksem laadt de batterij van de aarde op
1. Spanning drijft het circuit aan
De ionosfeer begint op 50-80 kilometer hoogte en fungeert als de pluspool van een batterij, terwijl de aarde als de minpool fungeert. Het spanningsverschil tussen de twee stuurt het globale elektrische circuit aan.
2. Optrekkende bliksem laadt de ionosfeer op
Ultra-energierijke bliksem schiet vanuit de top van onweerswolken positieve ladingen de ionosfeer in. Ook elektrisch geladen wolken die niet bliksemen zenden positieve stromen van de wolkentoppen naar boven, waardoor de positieve lading van de ionosfeer toeneemt.
3. Bliksem maakt de aarde negatief
Het aardoppervlak wordt negatief geladen wanneer de bliksem er stromen van negatieve elektronen naar stuurt. De positieve opstijgende bliksem en de negatieve blikseminslag bouwen samen de spanning op in de reusachtige batterij.
4. Mooi weer ontlaadt de batterij
Bij helder weer stromen positieve stromen van de ionosfeer naar het aardoppervlak via kleine geladen moleculen in de lucht, waardoor het spanningsverschil kleiner wordt. Zo houden bliksem en mooi weer het elektrische circuit van de planeet in evenwicht.
Tijdens een onweersbui zenden blikseminslagen negatieve elektronen naar de aardbodem, terwijl opwaartse bliksem positieve ladingen van de wolkentoppen naar de ionosfeer zendt.
De op- en neerwaartse bliksems creëren samen een spanningsverschil van 250.000 volt tussen de ionosfeer en de aarde, waardoor de batterij wordt opgeladen.
Bij helder weer wordt de ionosfeer ontladen. Hoewel de lucht tussen de twee polen over het algemeen neutraal is, zijn er geladen atomen en moleculen, ionen genaamd, die de positieve ladingen van de ionosfeer naar het aardoppervlak geleiden.
Sensoren waarschuwen voor blikseminslag
Het best bestudeerde deel van de atmosferische batterij is de bliksem van wolken naar de aardbodem.
Blikseminslagen worden tegenwoordig geregistreerd door een wereldwijd netwerk van meetstations: Global Lightning Dataset. Blikseminslagen zenden laagfrequente radiostoringen uit, die door sensoren tot op 10.000 kilometer afstand kunnen worden geregistreerd.
De langdurigste bliksemschicht verlichtte de hemel boven Uruguay in 2020 wel 17,1 seconden. In dat jaar werd in de VS ook het record voor langste bliksemschicht gevestigd: de bliksem reikte 768 kilometer ver en trof de staten Mississippi, Louisiana en Texas.
De sensoren vangen blikseminslagen direct op, en aangezien zij gekoppeld zijn aan het GPS-systeem, kunnen de meetstations blikseminslagen aangeven binnen 2-3 kilometer. In de VS, waar het netwerk het fijnmazigst is, kan het inslagpunt van een blikseminslag tot op 200 meter nauwkeurig worden bepaald.
Om de bliksem verder te traceren, lanceerde NASA in 2018 de satelliet GOES-16, die het grootste deel van Noord- en Zuid-Amerika in de gaten houdt en honderden kilometers lange bliksemflitsen vastlegt die tussen wolken springen.
Vanaf 36.000 kilometer hoogte ziet de satelliet GOES-16 de enorme bliksems die tussen onweerswolken springen. De langste flits werd op 709 kilometer boven Brazilië waargenomen.
Terwijl het netwerk van meetstations op de grond de exacte positie van blikseminslagen bepaalt, geeft de satelliet het totaalbeeld van de omvang en beweging van onweersbuien.
De combinatie van de twee soorten gegevens voorspelt beter waar een onweersbui heen gaat. Daardoor kunnen Amerikaanse meteorologen nauwkeurig bliksemalarm geven aan bijvoorbeeld energiebedrijven en luchthavens.
Een ander doel van de gegevens is bosbranden beter te kunnen zien aankomen.
Uit studies blijkt dat branden vooral worden aangestoken door trage bliksems die niet het hele spanningsverschil tussen wolk en bodem in één snelle flits opheffen. In plaats daarvan komen er 10-100 keer zo veel langdurige maar zwakkere elektrische stromen op de bodem af.
In 2018 werden verschillende Zweedse bosbranden vermoedelijk aangestoken door blikseminslagen.
De satelliet GOES-16 kan deze door de bodem kruipende bliksemflitsen waarnemen, en door de gegevens van de satelliet te combineren met de aanwijzingen van het radionetwerk kan de brandweer het vuur beter bestrijden voordat het om zich heen kan grijpen.
En de brandweer zal genoeg te doen krijgen.
Bliksem bedreigt klimaat
Met de opwarming van de aarde zal de verdamping uit zee toenemen. Daardoor wordt de atmosfeer vochtiger, wat tot meer onweer en blikseminslagen zal leiden.
Volgens een prognose voor de VS zal het aantal blikseminslagen met 12 procent toenemen voor elke graad dat de temperatuur op aarde stijgt.
Uit klimaatmodellen voor Noord-Europa blijkt verder dat de opwarming in 2100 zal leiden tot meer langdurige onweersbuien. Hetzelfde geldt voor het Noordpoolgebied, waar bliksem door het koude klimaat zeldzaam is.
Maar ten noorden van de poolcirkel, waar de temperatuur sinds 1960 in sommige gebieden 2-4 °C is gestegen, slaat de wereldwijde temperatuurstijging hard toe.
Volgens het World Wide Lightning Location Network is het aantal jaarlijkse blikseminslagen ten noorden van de poolcirkel gestegen van 35.000 in 2010 tot een kwart miljoen in 2020.
Door blikseminslagen in de toendra ontstaan er nu steeds meer branden in de arctische veengebieden. De trend is zorgwekkend, omdat toendra’s wereldwijd 14 procent van alle in de bodem opgeslagen koolstof bevatten.
Het Meer van Maracaibo in Venezuela wordt jaarlijks getroffen door 3.000.000 blikseminslagen.
Door veenverbranding kan er dus heel veel CO2 in de atmosfeer vrijkomen.
Tegelijkertijd zal meer bliksem de aarde verder opwarmen in een zichzelf versterkend effect, omdat de hevige elektrische ontladingen stikstofoxiden, NOx, produceren, een sterk broeikasgas van onder meer dieseluitlaatgassen.
Bliksem levert naar schatting 8,6 miljoen ton NOx per jaar, plus een vergelijkbare hoeveelheid door bliksem die tussen wolken springt.
Daarom heeft de World Meteorological Organization de bliksem toegevoegd aan de lijst van klimaatvariabelen die we moeten volgen om te zien hoe ze het klimaat van de toekomst zullen beïnvloeden.
Vreemde bliksem moet in kaart gebracht worden
Of de mysterieuze opwaartse bliksems van wolken naar de ionosfeer NOx uitstoten, is nog onbekend. Sprites en blauwe bliksem zijn vanaf het aardoppervlak niet waar te nemen en zijn daarom het minst onderzochte onderdeel van het wereldwijde elektrische circuit.
Dat verandert echter met het instrument ASIM van het internationale ruimtestation. Het is ontwikkeld door het Deense onderzoeksinstituut DTU Space, en observeert de ruimte boven de wolken in een reeks golflengten, van zichtbaar licht tot röntgen- en gammastraling.
De ASIM verzamelt 100.000 metingen per seconde, waardoor we gedetailleerde waarnemingen kunnen doen van de ultrakorte opwaartse flitsen.
Sprites flitsen naar 90 kilometer in 100 milliseconden, en blauwe bliksem legt 40-50 kilometer af in 400 milliseconden.
In 2021 publiceerden wetenschappers waarnemingen van een enorme blauwe flits van onweer boven het eiland Nauru in de Stille Oceaan. De bliksem begon met vijf explosieve blauwe flitsen in de wolkentop die slechts 10 microseconden duurden, waarna één flits de krachtige blauwe bliksem aanstak die 52 kilometer hoog kwam.
De komende jaren zal de ASIM gedetailleerde informatie opleveren over de mechanismen achter blauwe bliksem en sprites, en achterhalen hoe ze de positieve elektrode opladen en de elektrische hartslag van de aarde aandrijven.