Atmosphärenchemie: Blitze mit Nachwirkung – Spektrum der Wissenschaft

Unsichtbarer Blitz

Basierend auf den Messungen des Teams kann der unsichtbare Blitz bis zu 16 Prozent des Hydroxylgehalts in der Atmosphäre erzeugen. Das ist ein sehr interessantes Beobachtungsergebnis, sagt Francisco Gordillo-Vázquez vom spanischen Instituto de Astrofísica de Andalucía. Er führt derzeit Experimente in seinem Labor durch, um die Ergebnisse von Brunes Team zu replizieren. »Bisher ging man davon aus, dass diese Oxidationsmittel indirekt über die Bildung von NO entstehen. Dadurch, dass sie direkt gebildet werden, ändert sich nun die Perspektive.

Unsichtbare Blitze sind nur eines von vielen kürzlich entdeckten elektrischen Phänomenen, die in und um Gewitter auftreten und die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflussen. Bereits in den 1920er Jahren hatte der schottische Nobelpreisträger Charles Wilson spekuliert, 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 nach dem englischen Wort Goblin genannt. Aber erst 1989 wurden zwei Sprites versehentlich während eines großen Gewitters im amerikanischen Mittleren Westen aufgenommen.

Später stellte sich heraus, dass die Sprites manchmal eine Höhe von mehr als 90 Kilometern bis zum Grund der Ionosphäre erreichen. Laut Gordillo-Vázquez können die Emissionen der oberen Atmosphäre als fehlender Teil des globalen Kreislaufs angesehen werden, der die Troposphäre mit der Ionosphäre verbindet.

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Erklären solche transienten Lichtereignisse (TLEs) in der oberen Atmosphäre eine weitere rätselhafte Beobachtung in der Atmosphärenchemie? „Seit Ende der 1960er-Jahre gab es vereinzelte Berichte über plötzliche Anstiege der Ozonkonzentration in der Nähe von Gewittern“, sagt der Forscher. Die gemeldeten Ergebnisse widersprachen der Erkenntnis, dass das Gas indirekt durch vom Blitz erzeugtes NO und anschließende chemische Reaktionen gebildet wird. “Es wurde spekuliert, dass die erhöhten Ozonwerte durch den Blitz selbst verursacht werden könnten.”

Normale Blitze erzeugen direkt keine nennenswerten Mengen an Ozon. Aber könnten die hohen Ozonwerte in den beobachteten Gebieten eine direkte Folge der seltsamen Lichtphänomene sein? Obwohl ein Blitz eine sehr heiße elektrische Entladung ist, wird die Energie im starken elektrischen Feld einer TLE kalt freigesetzt. „Das ist der Schlüssel zum Verständnis ihrer chemischen Persönlichkeit“, ist Gordillo-Vázquez überzeugt. Solche kalten „Koronaentladungen“ (siehe Glossar) produzieren direkt erhebliche Mengen an Ozon und Lachgas (N2Ö). Letzteres gilt nach CO als drittwichtigstes Treibhausgas2 und Methan.

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Heutzutage ist es möglich, TLEs aus der Luft zu beobachten. Dies hat es viel einfacher gemacht, sie zu studieren. Die Forschungsgruppe des Atmosphärenforschers ist an einer Weltraummission namens Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) beteiligt, einem Instrument, das seit April 2018 auf der Internationalen Raumstation installiert ist. ASIM hat sich als sehr gut bei der Erkennung von leuchtenden Koronaentladungen in Gewitterwolken erwiesen. „ASIM hat uns erstmals geholfen, die Arten von Koronaentladungen zu verstehen, die in Gewitterwolken auftreten, und zu erfassen, wo und wie oft sie auftreten“, ordnet der Forscher das Projekt ein.

Es stimmt, dass ASIM nicht messen kann, welche chemischen Substanzen bei kalten atmosphärischen Emissionen produziert werden. Aber es hat sich gezeigt, dass seltsam aussehende elektrische Ereignisse üblich sind. Daher könnten sie eine bedeutende natürliche Quelle von Treibhausgasen sein, wenn ihre Chemie mit der von im Labor erzeugten Koronaemissionen übereinstimmt. Allerdings müsse laut Gordillo-Vázquez noch die Frage geklärt werden, welche Bedeutung solche Gase für das chemische Gleichgewicht der Atmosphäre haben. Eine neue Generation von Satelliten zur Überwachung der Luftqualität soll in Kürze in eine geostationäre Umlaufbahn über den Vereinigten Staaten, Europa und Asien gebracht werden. Informationen aus ihren Messungen könnten das Rätsel vervollständigen.

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Weitere Informationen würden Brune auch dabei helfen, seine Einschätzung der globalen Bedeutung der Produktion von Hydroxyl durch unsichtbare Blitze zu verfeinern. “Wir sind durch sieben Gewitterambosse geflogen, mehr Informationen haben wir nicht”, sagt er. „Wer es richtig machen will, muss die Flüge in einem Flugzeug mit viel mehr Geräten wiederholen, um elektrische Felder, Ladungen und Ladungsunterschiede zu messen.“ Die meisten Blitzeinschläge tun dies. “Es ist möglich, aber leider muss diese Aufgabe warten.”

Nach Ansicht von Mary Barth sollten die neuen Instrumente wirklich in einem Flugzeug installiert werden, das direkt in ein Gewitter hineinfliegen kann, nicht nur daran vorbei. – Meistens betrachten wir Stoffe in der Luft vor und nach einem Sturm. Da muss man schon mal seine eigenen Schlüsse ziehen“, sagt er und fügt hinzu: „Ich würde gerne etwas über die chemische Zusammensetzung in einem Gewitter durch eine Feldkampagne erfahren, bei der ein Flugzeug mitten durch das Gewitter fliegt.

© Spektrum der Wissenschaft (Ausschnitt)

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