Atmosphärenchemie: Blitze mit Nachwirkung – Spektrum der Wissenschaft

Unsichtbarer Blitz

Nach den Messungen des Teams können unsichtbare Blitze bis zu 16 Prozent des globalen atmosphärischen Hydroxylgehalts erzeugen. Francisco Gordillo-Vazquez vom Instituto Astrophysica de Andalucía in Spanien sagt, dies sei ein sehr interessantes Beobachtungsergebnis. Derzeit führt er in seinem Labor Experimente durch, um die Ergebnisse von Tim Braun zu reproduzieren. Bisher wurde angenommen, dass diese Oxidationsmittel indirekt über die Bildung von NO entstehen. “Dass sie sich jetzt direkt formieren, ändert die Perspektive.”

Unsichtbare Blitze sind nur eines von mehreren kürzlich entdeckten elektrischen Phänomenen, die in und um Blitze herum auftreten und die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflussen. In den frühen 1920er Jahren spekulierte der schottische Nobelpreisträger Charles Wilson, dass leuchtende elektrische Entladungen hoch in der Atmosphäre auftreten könnten, wo die Luft weniger dicht ist und das lokale elektrische Feld leichter zusammenbrechen kann. Sie werden Sprites genannt, nach dem englischen Wort Goblin. Aber erst 1989 wurden zwei Elfen versehentlich bei einem großen Gewitter im amerikanischen Mittleren Westen aufgenommen.

Später stellte sich heraus, dass die Sprites manchmal die Basis der Ionosphäre bis zu einer Höhe von 90 km erreichten. Laut Gordillo-Vazquez können die Entladungen in der oberen Atmosphäre als das fehlende Glied im globalen Kreislauf angesehen werden, der die Troposphäre mit der Ionosphäre verbindet.

Könnten solche transienten Leuchtereignisse (TLEs) in der oberen Atmosphäre möglicherweise andere rätselhafte Beobachtungen in der Atmosphärenchemie erklären? „Seit Ende der 1960er-Jahre gab es vereinzelte Berichte über plötzliche Anstiege der Ozonkonzentration in der Nähe von Gewittern“, sagte der Forscher. Die gemeldeten Beobachtungen stimmten nicht mit dem Wissen überein, dass das Gas indirekt durch durch Blitze erzeugtes NO und anschließende chemische Reaktionen gebildet wurde. Es wird spekuliert, dass der Anstieg der Ozonwerte auf den Blitz selbst zurückzuführen sein könnte.

Normale Blitze erzeugen nicht direkt signifikante Mengen an Ozon. Aber kann die hohe Ozonkonzentration in den beobachteten Bereichen eine direkte Folge seltsamer Lichtphänomene sein? Während ein Blitz eine sehr heiße elektrische Entladung ist, wird die Energie im starken elektrischen Feld der TLE in kalter Form freigesetzt. „Das ist der Schlüssel zum Verständnis ihres chemischen Charakters“, ist Gordillo-Vazquez überzeugt. Im Labor entstehen durch solche kalten „Corona-Entladungen“ (siehe Glossar) direkt erhebliche Mengen an Ozon und Lachgas (N₂Ö). Treibhausgas ist nach CO das drittwichtigste Treibhausgas₂ und Methan

Heute ist es möglich, TLEs aus der Luft zu beobachten. Dies macht die Überprüfung sehr einfach. Die Atmospheric Scientist Research Group ist an einer Weltraummission namens Atmospheric Space Interaction Monitor (ASIM) beteiligt, einem Instrument, das sich seit April 2018 an Bord der Internationalen Raumstation befindet. ASIM hat sich als sehr gut bei der Erkennung heller Koronaentladungen in Gewitterwolken erwiesen. „ASIM hat es uns zum ersten Mal ermöglicht, die Art der koronalen Entladungen, die in Gewitterwolken auftreten, zu verstehen und ihren Ort und ihre Häufigkeit aufzuzeichnen“, ordnet der Forscher das Projekt ein.

Es stimmt, dass ASIM nicht messen kann, welche Chemikalien bei Entladungen in die kalte Atmosphäre produziert werden. Aber es hat sich gezeigt, dass seltsam aussehende elektrische Ereignisse weit verbreitet sind. Wenn ihre chemische Zusammensetzung der von im Labor hergestellten Koronasekreten entspricht, können sie daher eine bedeutende natürliche Quelle von Treibhausgasen sein. Laut Gordillo-Vazquez bleibt jedoch die Frage zu klären, wie wichtig dieser Beitrag für das chemische Gleichgewicht solcher Gase in der Atmosphäre ist. Eine neue Generation von Satelliten zur Überwachung der Luftqualität wird in Kürze in eine geostationäre Umlaufbahn über den Vereinigten Staaten, Europa und Asien gebracht. Ihre Messdaten können das Puzzle vervollständigen.

Mehr Daten würden Brune auch helfen, seine Schätzungen zur globalen Bedeutung der Hydroxylproduktion durch unsichtbare Blitze zu verfeinern. “Wir sind durch sieben Blitze geflogen, mehr wissen wir nicht”, sagt er. „Wenn man es richtig machen will, muss man die Flüge in einem Flugzeug wiederholen, das viel mehr Instrumente hat, um elektrische Felder, Ladungen und Ladungstrennungen zu messen.“ Die meisten Blitzeinschläge passieren. “Es ist möglich, aber leider muss diese Mission warten.”

Laut Mary Barrett lohnt es sich wirklich, die neuen Instrumente in einem der Flugzeuge zu installieren, die direkt in ein Gewitter hineinfliegen können, nicht nur darum herum. „Meistens schauen wir uns das Material in der Luft vor und nach einem Sturm an. Man muss Rückschlüsse ziehen, was dazwischen passiert“, sagt er.