Unglaubliche Technologie: Wie Man Einen Blitzschlag Kartiert

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Die heutigen blitzerkennungssysteme reichen von landesweiten sensornetzwerken bis zu satelliten, die bolzen aus dem weltraum beobachten.

Einige Wissenschaftler warten buchstäblich darauf, auf Blitze zu warten.

Nach Angaben der National Weather Association ist der Blitz die zweithäufigste jährliche Todesursache in den Vereinigten Staaten. Es löst Feuer aus, verursacht Stromausfälle und führt zu Verwüstungen in elektronischen Systemen.

Die Wissenschaft der Blitzerkennung hat sich dramatisch verbessert, seit Ben Franklin 1752 bei einem Gewitter den Kite flog. Forscher können jetzt Bedingungen vorhersagen, die einem Blitz aus heiterem Himmel vorausgehen, und die Position und Stärke eines Schlags während des Vorfalls verfolgen.

"Wir haben bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Blitzphysik gemacht, aber es bleibt noch viel zu tun", sagte der atmosphärische Wissenschaftler Phillip Bitzer von der University of Alabama in Huntsville.

Schrauben von oben

Wie sich ein Blitz bildet, bleibt ein Rätsel. Die Arbeitshypothese lautet: Wenn ein Aufwind warmer Luft eine Höhe erreicht, in der die Temperatur knapp über dem Gefrierpunkt liegt, interagieren Eiskristalle und gefrorene Partikel, um eine elektrische Ladungstrennung zu erzeugen. Wenn das elektrische Feld zwischen den Ladungen groß genug ist, kommt es zu einem elektrischen Zusammenbruch - einem Blitz -. [Infografik: Die Geheimnisse der Funktionsweise von Blitz]

Der Blitzschlag trifft jedes Jahr weltweit mehr als 250.000 Menschen.

Der Blitzschlag trifft jedes Jahr weltweit mehr als 250.000 Menschen.

Bildnachweis: Randy Moore Shutterstock.com

Der Zorn des Zeus nimmt zwei Formen an: Wolken-zu-Boden-Blitz und In-Wolken-Blitz. Während Blitze, die auf den Boden treffen, die direkteste Bedrohung für Mensch und Infrastruktur darstellen, kann ein Blitzeinschlag zwischen oder innerhalb von Wolken vor gefährlichem Hagel und Tornado warnen, sagte Kenneth Cummins, Wissenschaftler der Atmosphäre der Universität von Arizona in Tucson.

"Wir haben es ziemlich gut verstanden, die Anzahl der Entladungen zwischen Wolken und Boden in einer Region quantifizieren zu können, und wir können die Anzahl und Art der Entladungen innerhalb der Wolke besser messen", sagte Cummins gegenüber WordsSideKick.com.

Lightning-Sensing-Systeme haben sich seit der Zeit entwickelt, als Radios um die Jahrhundertwende entwickelt wurdenth Jahrhundert, sagte Cummins. Eines der kritischsten sind Lightning-Mapping-Arrays. Hierbei handelt es sich um Netzwerke elektromagnetischer Sensoren, die bei den feurigen Blitzen zum Einsatz kommen und die von ihnen abgegebene Energie messen.

Blitz-Mapping

Drei verschiedene Systeme erfassen Blitzentladungen über einen Bereich unterschiedlicher Frequenzen, die den erzeugten Energien entsprechen.

"Je höher die Frequenz, zu der Sie gehen, desto kleiner wird das Objekt, das Sie zum Bild bekommen", sagte Cummins.

VHF-Arrays (Very High Frequency), Sammlungen von Sensoren, die elektromagnetische Strahlung messen, erfassen die feinen Verzweigungsstrukturen eines Blitzeinschlags. VHF-Sensoren arbeiten im Bereich von 10 bis 100 Megahertz und liegen nahe beieinander. Über ein Dutzend VHF-Arrays gibt es bundesweit, unter anderem an der University of Alabama in Huntsville, New Mexico Tech, und im Kennedy Space Center in Florida.

Im Gegensatz dazu bilden niederfrequente Arrays (LF-Arrays) eine größere Blitzaktivität ab, wie z. B. die langen Stromkanäle in Wolken-zu-Boden- und Intra-Cloud-Blitzen. Diese liefern Informationen über die freiwerdende Energie in Form von elektrischem Strom in den Kanälen gegen Erde. Blitz erzeugt auch Energie in Form von Licht, Wärme und Atomenergie wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Diese Arrays arbeiten im Bereich von Hunderten von Kilohertz bis einigen Megahertz. Das National Lightning Detection Network (NLDN), ein Netzwerk von mehr als 100 Niederfrequenz-Messstationen in den Vereinigten Staaten, wird von Forschern häufig eingesetzt und bietet ein wichtiges Monitoring für die Vorhersage von Unwetter.

Auf der breitesten Skala messen Arrays mit sehr niedriger Frequenz (VLF) elektromagnetische Signale nicht nur entlang der Erdoberfläche, sondern zwischen der Erde und der Ionosphäre, der oberen Schicht der Atmosphäre, die durch Sonneneinstrahlung elektrisch aufgeladen wird. Sie arbeiten im Bereich von 5 bis 30 Kilohertz und sind tausende von Kilometern voneinander entfernt. VLF-Arrays können Blitze über Land und Ozeanen erkennen, wo sich Wirbelstürme und andere Stürme entwickeln. [Electric Earth: Atemberaubende Bilder vom Blitz]

Bitzer und seine Kollegen von der University of Alabama in Huntsville haben einen Sensor entwickelt, der im LF / VLF-Bereich arbeitet und die Änderung des elektrischen Feldes anhand einer Blitzentladung misst und in eine Spannung umwandelt. Sie schützen den Sensor mit einer umgedrehten Metallschüssel vor Regen. "Es ist buchstäblich eine Salatschüssel - wir haben es von Target", sagte Bitzer.

Diese Sensoren geben den Wissenschaftlern eine ziemlich gute Sicht auf Blitze am Boden, aber um eine globale Sicht zu erhalten, warum man sie nicht aus dem Weltraum betrachtet?

Die Wissenschaftler der University of Alabama haben auch einen satellitengestützten Sensor entwickelt, der Photonen aus dem erdnahen Orbit zählt. Der Satellit dreht sich alle 90 Minuten um den Planeten und gibt den Wissenschaftlern ein Bild von der Menge und Verteilung der Blitze weltweit.

Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und die NASA bauen einen geostationären Lightning Mapper (GLM), der an Bord des GOES-R-Satelliten starten soll, der 2015 starten soll.

Einen Streik auslösen

Ein ausgelöstes Blitzexperiment, das in Florida im Rahmen einer laufenden Forschungsarbeit durchgeführt wurde, um besser zu verstehen, wie sich ein Blitz bildet. Das blau-grüne Licht im Bild stammt von Kupfer im anfänglichen Auslösedraht, der auf den Punkt des Abstrahlens von Licht erhitzt wird. Helle weiße Blitzschläge zur Seite hin wurden durch den Wind zwischen den Schlägen verschoben.

Ein ausgelöstes Blitzexperiment, das in Florida im Rahmen einer laufenden Forschungsarbeit durchgeführt wurde, um besser zu verstehen, wie sich ein Blitz bildet. Das blau-grüne Licht im Bild stammt von Kupfer im anfänglichen Auslösedraht, der auf den Punkt des Abstrahlens von Licht erhitzt wird. Helle weiße Blitzschläge zur Seite hin wurden durch den Wind zwischen den Schlägen verschoben.

Bildnachweis: Doug Jordan und Martin Uman / Internationales Zentrum für Blitzforschung und -prüfung

Es gibt kein ikonischeres Sturmbild als die strahlend weißen Blitzgabeln, die sich über einen bedrohlichen Himmel schlängeln. Das meiste geschieht jedoch zu schnell, als dass das menschliche Auge etwas erkennen könnte. Daher nutzen Forscher Hochgeschwindigkeitskameras, um zu erkennen, wie der Blitz zwischen Himmel und Erde rast.

Wenn sich der Blitz entwickelt, schickt er im Allgemeinen einen Bolzen, der als Stufenführer bezeichnet wird, in Richtung Boden und verzweigt sich in scheinbar zufälligen Richtungen. Wenn der Bolzen sich dem Boden nähert, erzeugt er ein starkes elektrisches Feld, das nach oben gerichtete Luftschlangen verursacht, die ihn in der Luft treffen. Nachdem die Luftschlangen am Hauptriegel befestigt sind, lädt sich der Blitz in einem Dart-Leader wieder herunter, was die hellen Teilbeobachter am Boden tatsächlich sehen.

Für Blitzforscher ist es jedoch nicht immer praktisch, auf die Entwicklung des Blitzes zu warten. Einige Wissenschaftler schießen mit Raketen in die Wolken, um Blitze auszulösen - die moderne Version des Experiments von Ben Franklin.

"Es gibt nur zwei Orte in den Vereinigten Staaten, die das tun", sagte der atmosphärische Wissenschaftler Ken Eack von New Mexico Tech in Socorro - "hier und an der University of Florida."

Die Raketen, die dünnen Drähten folgen, die mit dem Boden verbunden sind, erzeugen nach oben gerichtete Luftschlangen, die eine negativ geladene Schicht in den Wolken durchdringen und einen nach unten gerichteten Blitz auslösen. Eack und seine Kollegen verwenden Blitz-Mapping-Arrays, um zu untersuchen, wo sich die Blitzkanäle befinden und wo sich die elektrischen Ladungen in Wolken befinden. Die Früchte ihrer Bemühungen könnten auch einen praktischen Schutz gegen Blitzeinschläge haben, sagte Eack.

Einige Leute haben vorgeschlagen, Blitze mit Lasern oder Wasserstrahlen auszulösen, um das Risiko eines Naturschlags zu verbreiten. Eack glaubt jedoch nicht, dass diese Methoden effektiv wären. Sie können versuchen, den Blitz an einer bestimmten Stelle zum Schlagen zu bringen, aber "nichts zieht den Blitz an", sagte Eack.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde um 9:35 Uhr ET aktualisiert. Kenneth Cummins erklärte, dass Blitze zwischen Wolken Warnung vor Hagel und Tornados sein können, nicht dass sie sie verursachen. Verweise auf Blitze zwischen Wolken wurden durch Blitze innerhalb der Wolke ersetzt. Die Informationen, die LF-Arrays bereitstellen, wurden um "Energie in Form von Strom" erweitert.

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