Persbericht Centrum Wiskunde & Informatica en Technologiestichting STW
Amsterdam, 26 oktober 2009
Nieuwe simulaties verklaren reuzenbliksems hoog in de dampkring
Sprites, enorme grillig gevormde verticale elektrische ontladingen hoog in de dampkring, ontstaan door het ineenstorten van een neerwaartse golf elektrisch positief geladen deeltjes in de onderste delen van de ionosfeer. Dat blijkt uit STW-onderzoek van Alejandro Luque en Ute Ebert bij het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam. Luque en Ebert zijn op dit moment de enigen in de wereld die ontladingen op lengteschalen van 2 meter tot 90 kilometer goed kunnen simuleren. In hun computersimulaties hebben ze de omstandigheden in de lage ionosfeer realistisch weten te modelleren. De uitkomsten van hun simulaties komen goed overeen met bestaande waarnemingen. Een publicatie over hun onderzoek verschijnt op 25 oktober 2009 als Advance Online Publication op de website van Nature Geoscience.
In 1925 voorspelde de Schotse onderzoeker Charles Wilson de bedenker van de zogeheten nevelkamer die veel gebruikt is in het vroege onderzoek naar elementaire deeltjes dat zich in de dampkring hoog boven grote onweerswolken elektrische ontladingen kunnen voordoen. Verhalen over dergelijke ontladingen deden lang de ronde, maar pas in 1990 publiceerden Amerikaanse onderzoekers voor het eerst een wetenschappelijke beschrijving ervan. De meest voorkomende ontladingen worden elves en sprites genoemd. Uit opnamen met hoge snelheidscamera's bleek in 2005 dat sprites op 70 tot 90 kilometer hoogte onderaan in de elektrisch geleidende ionosfeer ontstaan. Daarvandaan schieten ze razendsnel tientallen kilometers naar beneden en soms ook weer omhoog. Een theoretische verklaring voor hun ontstaan ontbrak. Wanneer ontstaan ze? Hoe dik zijn ze, hoe snel gaan ze, hoeveel licht stralen ze uit? Waarom gaat er vaak een diffuus lichtschijnsel (halo genoemd) voor deze reuzenbliksems uit? Allemaal openstaande vragen. Luque en Ebert hebben er met nieuwe computersimulaties nu antwoorden op gevonden.
Brekende halo
Tijdens een bliksemschicht van een onweerswolk naar de aarde ontstaat een elektrisch veld boven de wolk. In dit veld ontstaat de sprite-ontlading. De vorm en de lichtintensiteit in de berekeningen van Luque en Ebert komen goed overeen met waarnemingen. Hun simulaties laten zien hoe aan de onderkant van de ionosfeer de luchtlaag in de dampkring waarin elektrisch geladen deeltjes voorkomen eerst een brede, schotelvormige halo ontstaat, een zwak lichtschijnsel dat zich over tientallen kilometers in het horizontale vlak uitstrekt. De 'schotel' beweegt naar beneden en ontwikkelt een steeds scherpere onderkant. Door de lokale elektrische krachten wordt die scherpe onderkant instabiel en breekt open. Daaruit schiet dan met snelheden tot 10.000 kilometer per seconde een ontladingskanaal van honderden meters in diameter een reuzenbliksemschicht naar beneden. Enkele kilometers lager splitst het ontladingskanaal zich vervolgens in een aantal kanalen. Dat levert de grillige vertakte structuur op die uit de waarnemingen van sprites bekend is. De simulaties van Luque en Ebert kunnen het hele ontstaansproces en de grote snelheden en diameters nu voor het eerst goed reproduceren.
Ignorosfeer
De sprite-ontladingen ontstaan op een heel ontoegankelijke hoogte in de dampkring (40 tot 90 kilometer boven het aardoppervlak). Deze hoogte wordt gekscherend wel eens ignorosfeer genoemd. Hij is namelijk te hoog voor vliegtuigen en ballonnen en te laag voor satellieten. De Amsterdamse onderzoekers kunnen nu voor het eerst de hele atmosfeer modelleren. Dit is wiskundig moeilijk omdat er verschillende afmetingen bij betrokken zijn: van de hele dampkring tot ontladingskanalen van honderden meters in diameter, met daarbinnen lagen van maar enkele meters dik. Het model van Luque en Ebert is geschikt om met deze verschillende groottes te rekenen. Goede modellen en waarnemingen leveren meer inzicht op in de eigenschappen van dit ontoegankelijke stuk van onze dampkring.
Voor de redactie:
- Meer informatie bij prof. dr. Ute Ebert (CWI en TU/e), hoofd van de onderzoeksgroep Multiscale Modelling and Nonlinear Dynamics op het CWI, e-mail Ute.Ebert@cwi.nl, telefoon 020 592 4206.
- Referentie: Emergence of sprite streamers from screening-ionization waves in the lower ionosphere, A. Luque en U. Ebert, Nature Geoscience, AOP 25 oktober 2009.
- Bijschriften:
Figuur 1. Sprites en andere ontladingsverschijnselen hoog in de dampkring, schematisch weergegeven. Illustratie ESA
Figuur 2. Zo zou het ontstaan van een sprite er volgens de simulatie optisch uit moeten zien. Illustratie Nature Geoscience.
Figuur 3. Het ontstaan van een sprite waargenomen met een zeer snelle camera. Bron Steven A. Cummer et al., Geophysical Research Letters, vol.33, L04104
Filmpjes: Een halo bouwt zich langzaam op, beweegt omlaag en breekt. Uit dat punt schiet een sprite naar beneden. Bron: Centrum Wiskunde & Informatica (CWI). Te downloaden via http://homepages.cwi.nl/~ebert/ne.avi en http://homepages.cwi.nl/~ebert/E.avi
Over CWI en STW:
- Het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) is sinds 1946 het nationale onderzoeksinstituut voor wiskunde en informatica. Het is gevestigd op het Science Park Amsterdam en is deel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het instituut heeft een sterke internationale positie. Ruim 160 wetenschappers doen er grensverleggend onderzoek in ongeveer 70 projecten, en dragen de verkregen kennis over aan de maatschappij. Ongeveer 30 van de onderzoekers zijn hoogleraar aan een universiteit. Uit het instituut komen circa twintig spin-off bedrijven voort.
- De missie van Technologiestichting STW is het realiseren van kennisoverdracht tussen technische wetenschappen en gebruikers. Om dit te bereiken brengt STW op elk project gebruikers en onderzoekers bij elkaar en stimuleert zij excellent technisch-wetenschap¬pelijk onderzoek. STW is bij uitstek een netwerkorganisatie. Het netwerk van STW telt meer dan 1000 bedrijven, waarvan ongeveer 40% technisch midden- en kleinbedrijf.
Centrum voor Wiskunde en Informatica