LOFAR brengt groei bliksemflitsen in beeld

De Nederlandse radiotelescoop LOFAR, die vanuit Noord-Nederland uitwaaiert over een deel van Europa, kan het ontstaan en de ontwikkeling van bliksemflitsen volgen. Een internationaal team van wetenschappers, met daarbij een leidende rol voor RUG-natuurkundigen Brian Hare en Olaf Scholten, laat zien dat LOFAR de flitsen nauwkeurig kan zien en details tot iets meer dan een meter vastlegt. Deze nauwkeurigheid is niet eerder bereikt. De hoop is dat betere waarnemingen ook een betere bliksembeveiliging mogelijk maken. De resultaten zijn 16 februari gepubliceerd in Journal of Geophysical Research: Atmospheres .

Onweer is niet echt iets bijzonders, zou je zeggen, maar wetenschappers breken zich nog steeds het hoofd over het ontstaan van bliksemflitsen. ‘Eigenlijk weten we daar nog maar heel weinig van. Daar kwam ik ook pas een paar jaar geleden achter’, zegt Olaf Scholten, hoogleraar Astrodeeltjesfysica aan onderzoekscentrum KVI-CARTvan de RUG. Bliksem onderzoeken is lastig: je weet niet waar een bui losbarst en als je er midden in zit wil je de bliksem liever niet aantrekken.

Een nauwkeurige registratie van bliksemflitsen is mogelijk met behulp van radioantennes. Wie tijdens een onweersbui wel eens naar een transistorradio heef geluisterd weet dat onweer radiosignalen afgeeft. Op verschillende plaatsen in de wereld staan al dit antennevelden speciaal voor onderzoek naar bliksem. De LOFAR radiotelescoop bestaat uit vergelijkbare antennevelden, binnen Nederland verspreid over pakweg 3200 vierkante kilometer. En die zijn nu ingezet om bliksem te bestuderen met een nauwkeurigheid die niet eerder is behaald.

Pulsjes

De onderzoekers analyseerden LOFAR gegevens verzameld tijdens een onweersbui op 12 juli 2016, aan het begin van de avond. ‘Een medewerker heeft de bui afgewacht en op het moment dat er een flits was op een knop gedrukt. Daardoor werden in de meetstations de laatste twintig seconden aan data bevroren’, legt Scholten uit. Dit gebeurt in de ‘Transient Buffer Boards’, die op aanraden (en met financiering) van de Radboud Universiteit aan de LOFAR antennes zijn toegevoegd. Ze maken het mogelijk de enorme datastroom van LOFAR tijdelijk vast te houden om rustig terug te kunnen kijken. Doorgaans gooit een automatisch selectiesysteem een groot deel van de data direct weg.

Bij dat terugkijken zijn eerst de gegevens van één antenne geanalyseerd om te bepalen op welk moment de flits precies ontstond – die ene seconde en wat tellen er omheen zijn vervolgens gedownload van 24 verschillende LOFAR stations. ‘Dat duurde een half uur, de antennes produceren nogal wat data.’

Een bliksemflits begint met een serie pulsjes die in stappen van pakweg 50 meter de lucht ioniseren in een ‘kanaal’ van ongeveer een meter in doorsnede. Wanneer zo’n ionisatiekanaal kortsluiting maakt – met de grond of met een andere wolk – schiet de bekende lichtflits er doorheen. De LOFAR data maken het mogelijk alle stapjes in de ontwikkeling van die ontlading nauwkeurig in kaart te brengen. ‘Door op de nanoseconde nauwkeurig te bepalen wanneer een puls in de verschillende stations aankomt kun je de positie ervan in de lucht nauwkeurig bepalen, tot ongeveer een meter.’

Op die manier konden de onderzoekers de bliksemflits zien groeien tot het moment van de ontlading. RUG-postdoc Brian Hare verwerkte de data, waarna prof. dr. Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) er een driedimensionale reconstructie van maakte. Deze laat een soort groeiende boom zien met takken die zich verlengen en soms splitsen. En dit is nog maar het begin, zegt Scholten. ‘We kunnen meer details uit de data halen, al kost dat nog extra werk.’ Hij hoopt dat verdere analyses laten zien hoe bliksem precies ontstaat en vooral hoe de ontlading tot stand komt. ‘Dat zou nieuwe inzichten kunnen opleveren voor het ontwerpen van bliksembeveiliging.’

Dit nieuwe artikel is onderdeel van een onderzoeksproject dat tot doel heeft de geheimen van bliksem te ontrafelen. Het wordt uitgevoerd door een samenwerkingsverband tussen KVI-CART aan de RUG, astronomen van de Radboud Universiteit Nijmegen, de afdeling hoge-energie fysica van de Vrije Universiteit Brussel en het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam. Eerder werk leverde bijvoorbeeld de aanwijzingen op dat de inslag van kosmische deeltjes in de atmosfeer de start van een bliksemflits veroorzaken en leidde tot een nieuwe methode om kosmische stralen te gebruiken om de ladingsverdeling in onweerswolken te bepalen.

Scholen

De door Brian Hare geanalyseerde bliksemflits vond plaats op zo’n veertig kilometer van het hart van LOFAR, de plek waar de meeste antennes staan en op dertig kilometer van het meest nabijgelegen antenneveld. Er ligt nog een waarneming op de plank die precies boven zo’n veldje is gedaan, dat zou al meer details kunnen opleveren. ‘Uit een enkele bliksemflits kunnen we al enorm veel informatie halen. We zijn nu in gesprek met andere bliksemonderzoekers, om hun antennes hier bij LOFAR onder te brengen en de waarnemingen te koppelen.’ Daarnaast is hij ook bezig met een scholenproject, samen met het RUG-science center Science LinX: de scholen krijgen naast een lespakket over onweer ook een eigen antenne om zelf flitsen vast te leggen.

Referentie: B. M. Hare, O. Scholten, A. Bonardi, S. Buitink, A. Corstanje, U. Ebert, H. Falcke, J.R. Hörandel, H. Leijnse, P. Mitra, K. Mulrey, A. Nelles, J. P. Rachen, L. Rossetto, C. Rutjes, P. Schellart, S. Thoudam, T. N. G. Trinh, S. ter Veen, T. Winchen: LOFAR Lightning Imaging; Mapping Lightning with Nanosecond Precision. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 16 februari 2018, DOI 10.1002/2017JD028132