Das Geheimnis von „Bolt from the Blue“ lüften: Wie verwandelt sich ein Blitz in einen „Langstrecken-Scharfschützen“?

Der Himmel ist klar, aber plötzlich schlägt ein Blitz wie ein unsichtbarer Attentäter in den Boden ein. Dies ist der sogenannte „Blitz aus heiterem Himmel“. Gewöhnliche Blitze schlagen oft unter heranrollenden Gewitterwolken in den Boden ein, doch ein Blitz aus heiterem Himmel schlägt ohne Vorwarnung in einem Gebiet ein, in dem es weder Wolken noch Niederschlag gibt. Seine Unberechenbarkeit stellt eine ernsthafte Bedrohung für das Leben und Eigentum der Menschen dar. Wie also ist dieser „Langstrecken-Scharfschütze“ namens Thunderbolt entstanden?

Kürzlich veröffentlichten der Forscher Xie Xiushu vom Institut für Atmosphärenphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und sein Team im Science Bulletin eine bahnbrechende Studie, in der sie die mysteriöse Ursache von Blitzen aus heiterem Himmel enthüllen . Das Team nutzte ein selbst entwickeltes Blitz-Hochfrequenz-Interferometer mit Feinauflösungsvermögen für Entladungsprozesse und Kanäle, um zwei Blitze aus heiterem Himmel auf dem Qinghai-Tibet-Plateau zu erkennen. Die Ergebnisse der dynamischen Positionsbestimmung mit Radiofrequenz lieferten eindeutig ein vollständiges Bild der Blitze, die von der Gewitterwolke ausgehen, sich nach Verlassen der Wolke mehrere Kilometer horizontal ausbreiten und sich dann zum Boden wenden, um sich dort zu entwickeln und auf den Boden aufzuschlagen (Abbildung 1).

Abbildung 1 Links: Radarechoprofil einer Gewitterwolke; Rechts: Ergebnisse der Ortung der Strahlungsquellen dreier negativer Bodenblitze und die daraus abgeleitete Ladungsstruktur der Gewitterwolke. Der negative Erdblitz 1 war ein normaler Blitz und die negativen Erdblitze 2 und 3 waren zwei Blitze aus blauem Himmel. Ihre markanten Standorte lagen 3,6 bzw. 3,8 km vom Rand des Niederschlagsgebiets entfernt.

Unter bestimmten dynamischen und mikrophysikalischen Bedingungen kommt es im Mischphasenbereich, in dem Eis und Wasser in Gewitterwolken koexistieren, nach einer elastischen Kollision zwischen Hydrometeorpartikeln in der Eisphase unterschiedlicher Größe (hauptsächlich Graupel und Eiskristalle) zu einem Ladungstransfer. Unter der Einwirkung von Luftströmung und Schwerkraft werden große und kleine Eisphasenpartikel mit Ladungen unterschiedlicher Polarität makroskopisch getrennt, und positive und negative Ladungen scheinen sich in unterschiedlichen Bereichen der Gewitterwolke zu konzentrieren, was die Voraussetzung für Blitze ist. Das Team entwickelte eine Methode zur Analyse der Ladungsverteilung von Gewitterwolken basierend auf Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften der Blitzkanalentwicklung. Auf dieser Grundlage enthüllten sie die evolutionären Merkmale der Ladungsstruktur von Plateau-Gewitterwolken, die Blitze aus heiterem Himmel erzeugen. Im ersten Entwicklungsstadium bildet sich in der Wolke zunächst eine negative Dipolladungsstruktur mit der Ladungsrichtung „oben negativ und unten positiv“. Im reifen Stadium wird ein oberer positiver Ladungsbereich weiterentwickelt, der zu einer „positiv-negativ-positiv“-Tripolladungsstruktur führt. Die Blitzentladung beginnt zwischen den positiven und negativen Ladungsbereichen des positiven Dipols über der Wolke und entwickelt sich in Form eines Zweiwege-Leiters zu den Ladungsbereichen entgegengesetzter Polarität. Der Kanal mit negativer Polarität „bricht durch“ nach oben, und nachdem er die positive Ladungsschicht über der Wolke durchbrochen hat, „dreht“ sich der Blitzkanal horizontal und schießt aus dem Wolkenkörper heraus, wobei er sich mehrere Kilometer weit durch den klaren Himmel schleicht, bevor er sich umdreht und direkt auf den Boden trifft.

Abbildung 2 Schematische Darstellung der Entwicklung der Ladungsstruktur in einer Gewitterwolke über dem Qinghai-Tibet-Plateau, wenn ein „Blitz aus heiterem Himmel“ auftritt

„Früher konnten wir die Ladungsstruktur und die makroskopischen Eigenschaften von Blitzen in Gewitterwolken nur durch die Messung von Veränderungen in elektrischen Feldern ableiten. Mithilfe des von uns eigenständig entwickelten Blitz-Hochfrequenzinterferometers können wir nun Blitzprozesse und Entladungskanäle mit einer Zeitauflösung von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden präzise unterscheiden. Dadurch können wir die Entstehung und Ausbreitung von Blitzen und die entsprechende Entwicklung der Ladungsstrukturen von Gewittern untersuchen und so unser Verständnis der Blitzprozesse und -mechanismen vertiefen“, erklärt Forscher Xie Xiushu. Durch die Kombination von Wetterradarechos und Sondierungsdaten stellte das Team fest, dass der unausgeglichene elektrische Dipol im oberen positiv geladenen Bereich der Wolke schwächer war als im unteren negativ geladenen Bereich und dass die kleinere Größe der Gewitterwolkenzellen die Hauptursache für die beiden Blitze aus heiterem Himmel war.

Tatsächlich kommen Blitze aus heiterem Himmel nicht nur auf Hochplateaus vor, sondern auch in niedrigeren Höhenlagen. Blitze aus heiterem Himmel können mehrere Kilometer oder sogar mehr als zehn Kilometer von den Gewitterwolken entfernt sein. Da es bei Blitzen aus heiterem Himmel in der Regel nicht regnet, kann die thermische Wirkung von Blitzeinschlägen nicht nur Schäden an Leben und Eigentum verursachen, sondern auch Waldbrände usw. auslösen und erhebliche Auswirkungen auf das Ökosystem und die Atmosphäre der Erde haben. Im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung verdienen Blitze aus heiterem Himmel unsere Aufmerksamkeit. Der Forscher Xie Xiushu erklärte weiter: „Wir möchten die Öffentlichkeit daran erinnern, dass Sie, wenn Sie sich bei klarem Himmel befinden, aber dunkle Wolken in Ihrem Blickfeld auftauchen oder Sie deutliches Donnern hören, auch so schnell wie möglich gefährliche Gebiete wie Anhöhen und Bäume meiden sollten, um nicht von Blitzen aus heiterem Himmel getroffen zu werden.“

[Xiushu Qie ist Forscher am Institut für Atmosphärenphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Empfänger des Outstanding Young Scientist Fund der National Natural Science Foundation of China, Vorsitzender der Internationalen Kommission für Atmosphärenelektrizität und Fellow der AGU, USA. Hauptsächlich in der Forschung zu atmosphärischer Elektrizität und mesoskaliger Meteorologie tätig. Er hat 4 Bücher und mehr als 300 Artikel veröffentlicht. Er war ehemaliger Experte des nationalen „863-Programms“ und leitender Wissenschaftler des nationalen „973-Programms“. Sie ist Preisträgerin des China Youth Science and Technology Award, wurde zur Nationalen Roten Fahnenträgerin des 8. März gekürt, ist eine der zehn besten Frauen Chinas und herausragende Mentorin der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Als erste Platzierte hat sie drei erste und zweite Preise bei Wissenschafts- und Technologiepreisen auf Provinz- und Ministerebene gewonnen. Er ist professioneller Chefredakteur von JGR: Atmospheres, stellvertretender Chefredakteur von Atmospheric Research und stellvertretender Chefredakteur oder Mitglied des Redaktionsausschusses vieler inländischer chinesischer und englischsprachiger Zeitschriften wie Atmospheric Science, AAS, JMR und EPP. 】

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