Boeken

Saturday, September 6, 2008

Samen flitsen

Eerste driedimensionale computersimulatie van twee bliksemtakken verklaart een van de vele bliksemmysteries.


Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 6 september 2008

Wereldwijd bliksemt het ongeveer vijftig maal per seconde. Het machtigste wapen van oppergod Zeus klieft dan als een razendsnel vertakkende lichtboom door de lucht. De bliksemtakken hebben gelijksoortige elektrische ladingen, en stoten elkaar af. Vandaar dat ze uit elkaar groeien. In principe dan, want soms groeien uit elkaar wijkende bliksemtakken na een tijdje wel degelijk weer naar elkaar toe, en smelten ze zelfs samen. In 2006 zagen wetenschappers dit fenomeen voor het eerst in de tientallen kilometers hoge bliksems – sprites genoemd – die in de ijle lucht ver boven de gewone onweerswolken kunnen ontstaan.

In hetzelfde jaar dook het verschijnsel ook op in laboratoriumexperimenten.



De waarnemingen stelden de bliksemgeleerden voor een probleem, want geen enkel rekenmodel voorspelde dat bliksemtakken weer samensmelten. Drie wetenschappers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam zijn er nu voor het eerst in geslaagd dit verschijnsel ook theoretisch aan te tonen (Physical Review Letters, 15 augustus 2008).

Natuurkundige en postdoc Alejandro Luque ontwikkelde samen met onderzoeksleider en natuurkundige Ute Ebert en numeriek wiskundige Willem Hundsdorfer een driedimensionale computersimulatie van twee bliksemtakken. In werkelijkheid ontstaan vaak een heleboel bliksemtakken tegelijk, maar geen computer kan zoveel geweld tegelijk uitrekenen. Vandaar dat de onderzoekers alleen naar het gedrag tussen twee bliksemtakken hebben gekeken. “De simulaties laten zien dat het afstoten of aantrekken van de twee bliksemtakken afhangt van de luchtdichtheid en van de verhouding tussen de hoeveelheden stikstof en zuurstof”, concludeert Luque.

Ebert is behalve groepsleider aan het CWI ook deeltijdhoogleraar aan de TU Eindhoven. Daar wekt ze samen met haar experimentele collega’s laboratoriumbliksems op die ze met de computersimulaties vergelijkt. “We kunnen inmiddels met stereofotografie de volledige driedimensionale structuur van die kunstmatig opgewekte bliksems in beeld te brengen.”
Naast het doorgronden van een gewelddadig natuurfenomeen, leidt het bliksemonderzoek ook tot praktische toepassingen. Zo worden aardse bliksems standaard gebruikt voor de productie van ozon om gassen mee te zuiveren, of om organische moleculen af te breken. Omdat bliksems hun energie in een kleine ruimte concentreren, bieden ze een efficiënte manier om allerlei gewenste chemische reacties op te wekken. En samen met Philips onderzoekt Ebert toepassingen van vonkontladingen in argonlampen.

Bliksemflitsen ontstaan in drie stappen. Eerst trekt het onweer elektrische ladingen uit elkaar, waardoor elektrische spanningen van tientallen miljoenen volt ontstaan. Omdat lucht een slechte elektrische geleider is, kan de bliksem zich normaliter maar moeilijk ontladen. Daarom boort de bliksem in de tweede stap razendsnel geleidende kanaaltjes in de lucht, streamers genoemd. Via al die geleidende kanaaltjes kan de bliksem zich ten slotte in alle hevigheid ontladen. Elke bliksemtak gebruikt daarbij zijn eigen kanaaltje.

Koppeling
Hoe kunnen bliksemtakken die elkaar in principe afstoten toch weer naar elkaar toe groeien? Waarschijnlijk zijn daar meerdere mechanismen voor, denkt Luque, maar zijn simulaties onthullen in ieder geval één manier. Bij een streamerkop begint een kluwen van natuurkundige verschijnselen. Er ontstaat een sterk elektrisch veld waarin de vrije elektronen meer vrije elektronen uit de neutrale luchtmoleculen slaan. De lucht bij een streamerkop wordt zo geïoniseerd. De losgeslagen elektronen kunnen de moleculen ook tijdelijk in een hogere energietoestand duwen. Even later vallen deze moleculen weer terug in een lagere energietoestand, onder uitzending van lichtdeeltjes.

Deze lichtdeeltjes spelen de cruciale rol bij het samensmelten van twee bliksemtakken, zo blijkt. Ze kunnen de ionisatie verder opstuwen en steeds meer elektronen losslaan. Bekijk je het proces rondom twee streamerkoppen, zoals de CWI-onderzoekers hebben gedaan, dan laten de computersimulaties zien dat rondom elke streamerkop een wolk van elektronen ontstaat. Onder de juiste omstandigheden dijen beide elektronenwolken uit. Wanneer ze groot genoeg zijn geworden, smelten de wolken en de streamerkoppen samen. De elektronenwolken koppelen dus de beide streamerkoppen, die bedekt zijn met elektronen, aan elkaar.

Met de simulaties onderzocht Luque onder welke omstandigheden bliksemtakken samensmelten. Luque: “Hoe ijler de lucht – en dus hoe hoger in de atmosfeer – hoe makkelijker bliksemtakken samensmelten. Onze simulaties laten zien dat bliksemtakken naar elkaar kunnen groeien bij atmosferische luchtdruk of lager. Voor veel hogere drukken zien we het verschijnsel niet. Ook als er meer zuurstof in de lucht zit, gaat het samensmelten makkelijker. In de atmosfeer verandert de verhouding tussen zuurstof en stikstof nauwelijks met de hoogte. Maar in laboratoriumexperimenten kunnen we die verhouding wel aanpassen om onze modellen beter te testen.”

Bliksemmicroscoop
De drie CWI-onderzoekers moesten slimme rekentrucs uithalen om de wisselwerking tussen twee streamers op een parallelle computer te simuleren. Luque bouwde daarbij voort op de expertise die Ebert en Hundsdorfer in de afgelopen acht jaar hebben opgebouwd en waarmee ze mee voorop lopen in het wereldwijde bliksemonderzoek. Ebert: “De moeilijkheid bij het bestuderen van streamers is dat in één en hetzelfde probleem heel verschillende lengte- en tijdschalen een rol spelen. Streamers worden lang en ze voelen de elektrische ladingen en stromen in een groot gebied. Maar de belangrijkste natuurkundige processen spelen zich af een klein gebied rondom de streamerkoppen. Je moet het hele streamergebied simuleren, maar vooral aan het uiteinde moet je het probleem in groot detail zien op te lossen.”

Voorgangers van Luque werkten aan een tweedimensionale simulatie van een enkele streamer. De Spaanse postdoc is de eerste die een driedimensionale simulatie heeft gemaakt, en daarmee de interactie tussen twee streamers kon bestuderen. Voor de onderzoekers is de nieuwe computersimulatie een virtuele bliksemmicroscoop: hij toont onvermoede details die vaak moeilijk direct experimenteel meetbaar zijn. Met de virtuele bliksemmicroscoop is het wapen van Zeus echter nog lang niet volledig doorgrond. “Bliksem bevat nog vele mysteries”, besluit Luque. “Hoog in de atmosfeer zien we allerlei gekke bliksemgedragingen die we nog nooit in laboratoriumexperimenten hebben gezien. En niemand weet waarom.”