De lucht wordt donkerder, vervaarlijke wolken vormen zich aan de horizon. Er hangt onweer in de lucht. Maar wat gebeurt er eigenlijk tijdens een onweersstorm? Dat is iets waar de wetenschap nog geen goed antwoord op heeft. Wiskundige Ute Ebert en haar team op het Amsterdamse CWI proberen daar samen met de TU Eindhoven wat aan te doen.
Als kind leek onweer zo eenvoudig. Je leerde dat onweer ontstond doordat wolken op elkaar botsen. Dat veroorzaakt het rommelde geluid van de donder, en verder dacht je niet teveel na over hoe de bliksem in dat verhaal past. Dat zelfs de wetenschap geen goed antwoord heeft op de bliksemvraag, is misschien wat opmerkelijker. In de jaren 70 noemden wetenschappers de volledige analyse van bliksem vanaf de kleinste belangrijke schaal tot aan het hoor-en zichtbare resultaat nog ‘te moeilijk’ om te doen.
Zo spectaculair zie je het zelden, maar de gevorkte lichtflitsen zijn erg herkenbaar: iedereen weet dat bliksem er zo uit hoort te zien. Hoe dat precies kan, en welk proces tot zulke mooie lichtvormen leidt, dat proberen wetenschappers nu pas uit te vogelen.
Bidgee, Wikimedia CommonsInmiddels maakt de wetenschap steeds grotere sprongen. Ute Ebert van het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) en haar collega’s komen stapje voor stapje tot een beter wiskundig begrip van de verschillende delen van bliksem, om uiteindelijk hopelijk een volledig model te hebben van al de inwendige processen die een bliksemschicht tot stand brengen – en ook andere vormen van elektrische ontladingen.
Ingewikkeld
Wat maakt bliksem eigenlijk zo ingewikkeld? In een wereld waar de natuurkunde bewegingen van het allerkleinste deeltje tot het grootste sterrenstelsel kent, lijkt het vreemd dat iets alledaags als bliksem nog duister is. Het komt doordat er bij bliksem heel veel komt kijken, maar ook doordat het zo ontzettend hard gaat, dat het niet goed te bekijken valt.
Op het allerkleinste niveau moet je nabootsen hoe elektronen in de elektrische velden in een onweerswolk versneld worden, tegen luchtdeeltjes aanbotsen en daarbij meer elektrisch geladen deeltjes produceren. De geladen deeltjes bij elkaar vormen lange ‘paden’ die men ionisatiekanalen noemt. Deze kanalen hebben een soort ‘huid’ van elektrische lading. De kanalen kunnen in gebieden met lage velden binnen dringen, waar enkele elektronen niet zouden kunnen komen, omdat ze aan luchtdeeltjes vast zouden plakken. Maar uiteindelijk plakken de elektronen ook in de kanalen aan, behalve als de kanalen verhitten door grote elektrische stromen. Deze hete kanalen moeten een elektrische kortsluiting tussen wolk en aarde tot stand brengen, en pas dan zie en hoor je bliksem.
Dat alles is niet alleen lastig in modellen te vatten, het kost ook ontzettend veel rekenkracht om van de modellen tot voorspellingen te komen. Daarom moeten er slimme trucjes bedacht worden om een berekening snel te kunnen maken; zo kan je bijvoorbeeld op plaatsen waar de kanalen groeien, ieder elektron volgen, en elders maar met een gemiddeld elektronengedrag werken. Ook kun je rondom de kop van het kanaal een heleboel ‘rekenpunten’ neer zetten, om het elektrische veld ter plaatse zo nauwkeurig mogelijk te berekenen, terwijl je elders maar zeer weinig rekenpunten nodig hebt, omdat daar minder gebeurt.
Opnames van een streameroplading van enkele centimeters lang. De linkerfoto’s zijn langer belicht dan de rechterfoto’s, waardoor je op de linkerfoto’s het spoor ziet dat de ontlading trekt. Op de rechterfoto zie je de situatie direct na de ontlading. Boven en onder zijn verschillende voltages, waarbij te zien is dat een hoger voltage tot een dikker spoort leidt.
Ute EbertDaarnaast is het aan elkaar plakken van de onderdelen moeilijk omdat ze niet alleen op verschillende afstandsgroottes voorkomen, maar ook op verschillende tijdschalen. De afdeling van Ute Ebert heet Multiscale Dynamics; dynamiek over verschillende schalen. Een botsing van een elektron met en een luchtdeeltje duurt misschien een paar picoseconden (een duizendste van een miljardste seconde), terwijl een bliksemflits meer dan een seconde kan duren. Dat enorme verschil in tijdsschaal levert moeilijkheden op als je het ene model in het andere wilt stoppen.
Maar het lukt Ebert en haar collega’s, langzaam maar zeker, om steeds meer uit te vogelen. “Het begint on nu te lukken om de modellen voor enkele ontladingskanalen verder te vereenvoudigen om betere modellen voor zeer vertakte ontladingsbomen op te stellen. Dat is een belangrijke stap,” vertelt Ebert in haar werkkamer in Amsterdam.
Patroonherkenning
Ebert kwam terecht bij het ontladings- en bliksemonderzoek toen ze midden jaren negentig werkte aan patroonvorming en niet-lineaire dynamica. De beweging van het grensvlak tussen een niet-geleidend en een elektrisch geleidend gas aan de kop van een ontladingskanaal vertoont veel wiskundige overeenkomsten met de beweging van het grensvlak tussen water en olie in de grond, die toen aan het CWI ook wiskundig onderzocht werd. In het begin waren de vraagstellingen dus vanuit het algemene wiskundige interesse in de beweging van grensvlakken gedreven.
Maar snel kwam Ebert erachter dat er meer mensen in Nederland bezig waren met ontladingen en bliksem. Niet zozeer met de wiskundige kant, waarin modellen gemaakt worden om op een computer een donderstorm na te bootsen. Bijvoorbeeld op de Technische Universiteit van Eindhoven doen ze veel mooi experimenteel onderzoek. “Daar zijn ze erg sterk in. Ik knoopte contacten aan, werd er in 2002 ook hoogleraar in deeltijd, en sindsdien werken we in steeds meer projecten samen. Ondertussen vormen we een internationaal toonaangevende onderzoeksgroep, waarbij we de disciplines wiskunde, plasmafysica en elektrotechniek verbinden. Samen proberen we ontladingen in de techniek en in het onweer beter te begrijpen. We botsen bliksem ook na in het laboratorium. Voor de echte bliksemwaarnemingen nemen we deel aan Europese netwerken.”
Streamers en antimaterie
In een onweersbui gebeurt nog veel meer dan alleen bliksemschichten. Zo ontstaat er boven de wolk een heel ander soort reuzenbliksem van tientallen kilometers hoog. Het bovenste gedeelte van de atmosfeer, de zogenoemde ionosfeer, is elektrisch geleidend door de voortdurende straling van de zon en uit het heelal. Als een bliksemschicht elektrische ladingen verplaatst, ontstaat een elektrisch veld aan de onderkant van de ionosfeer, waardoor ze vervormt en er een enorme ontlading uitschiet, naar beneden richting wolk. Dit fenomeen wordt een sprite genoemd in het Engels.
Wat er boven de onweerswolk gebeurt is niet te zien en minder spectaculair, maar ook veel beter te begrijpen. Het is Ebert en co al gelukt om deze streamer, zoals de bliksem boven een wolk heet, te simuleren. Ze zijn volgens Ebert de eerste ter wereld die iets dergelijks wiskundig nabootsen.
National Severe Storms Laboratory (NSSL) CollectionHet is een medewerker van Ebert gelukt om deze reuzenbliksem in de computer na te botsen: waar hij ontstaat, hoe dik hij is en hoe snel hij groeit. “Volgens mij is dat de eerste simulatie waar een bliksemverschijnsel kwantitatief berekend is, beginnend van wat we weten over de microscopische botsing van elektronen met luchtdeeltjes.” Deze berekening ging makkelijker dan voor een gevorkte bliksemschicht; want daar lopen meer verschillende processen af tot aan de zichtbare bliksem: kanaalgroei, verhitting en de echte bliksem, zoals boven besproken, terwijl de sprite alleen uit de kanaalgroei bestaat.
Helemaal onverwacht werd drie jaar geleden ontdekt, dat donderwolken ook antimaterie kunnen produceren. Weer- en natuurkundigen hebben de afgelopen twintig jaar al een heleboel straling uit onweerswolken gemeten zoals ze ook uit radioactieve verval vandaan komt, maar de antimaterie kwam toch als een volledige verrassing. Weer- en natuurkundigen beginnen nu te begrijpen op welke manier deze straling in een groeiende ontlading opgewekt kan worden, zonder dat er radioactiviteit voor nodig is. Een promovendus van Ebert draagt bij aan de wiskundige modellering van deze processen, die dan weer aan metingen getoetst kan worden.
Toepassingen
Samen met de TU/e heeft Ebert al een paar toepassingen bedacht. Zo werken hoogspanningskabels op dit moment via wisselstroom. Het probleem is dat je daarmee veel energie verliest als je over een grote afstand transporteert. Daardoor is het bijvoorbeeld lastig om Noorse waterstroom of zonne-energie uit de Sahara naar Nederland te transporteren. Een gelijkspanningsnest is hier beter in, maar hoe schakel je dat uit, als er iets mis is met de kabels? Vreemd als het klinkt, maar hiervoor laat je de hele stroom van een energiecentrale eerst door een soort bliksemschicht lopen, en dan schakel je de bliksemschicht uit op het moment als er geen stroom vloeit.
Iets anders, misschien nog wel vreemder, is ontsmetting in het ziekenhuis. Het is belangrijk dat dokters bacterievrije handen hebben, waarvoor ze nu meestal handenalcohol gebruiken. “Maar desinfectie met plasma is misschien wel efficiënter dan alcohol.’ Bij een elektrische ontlading ontstaat UV-straling en zuurstof, een combi waar maar weinig bacteriën tegen kunnen.
“Het is een interessant spanningsveld tussen onweer en technische ontladingen,” zegt Ebert, “Het levert veel kruisbestuiving op. We begrijpen steeds meer. Wat het begrip van antimaterie uit bliksem kan opleveren voor de plasmatechnologie, weet ik nog niet te zeggen, maar het zou best kunnen, dat we er ook iets onverwachts mee kunnen. Aan de andere kant is onderzoek nooit af. Iedere antwoord roept weer drie nieuwe vragen op. Maar dat is het avontuur van de wetenschap.”