“Het was het meest spectaculaire en onverwachte verschijnsel dat ik ooit heb gezien,” schreef de Amerikaanse piloot John Hammerstrom in 1993 in zijn logboek. Hammerstrom, die over een onweersstorm boven Midden-Amerika vloog, zag vreemde bundels blauw licht omhoogschieten. Het leken wel blikkerende toeters, die met hun trompetvormige uiteinden uit de wolken staken. Bliksemontladingen waren het niet. Die had Hammerstrom tijdens zijn vluchten genoeg gezien. Nee, hier moest sprake zijn van een nieuw, en nog onbekend natuurverschijnsel!

“Het wás ook nieuw, want niemand wist nog iets van het bestaan,” zegt meteoroloog Walter Lyons van ASTeR, een bureau voor atmosferisch onderzoek in Fort Collins, Colorado. “Er waren wel eens verhalen over mysterieuze, hoge bliksemontladingen in de stratosfeer. Maar vóór 1993 nam niemand die serieus. Ze werden beschouwd als reflecties of toegeschreven aan de verbeelding. Maar nu, na zo’n rapport van een ervaren waarnemer, moesten we wel bekennen dat ze bestaan. Het kan raar lopen in de wetenschap!”

Wat had Hammerstrom gezien? Om dat na te gaan stapten Davis Sentman en Eugene Wescott in een tot een vliegend laboratorium omgebouwde DC-8 van de NASA. Het was juli 1993 en beide geofysici van de Universiteit van Alaska in Fairbanks wilden die ‘blikkerende toeters’ wel eens zien. Met behulp van zeer gevoelige zwart-wit camera’s maakten ze 19 opnamen van stralenbundels die omhoogschoten uit de toppen van onweerswolken.

Een jaar later kozen Sentman en Wescott opnieuw het luchtruim. Ditmaal met twee vliegtuigen die vijftig kilometer uit elkaar vlogen. Met kleurencamera’s filmden ze blauwkleurige stralenbundels. Maar tot hun grote verbazing flitsen daarboven ook nog eens grote, rode pluimen op. “Het was net Oud en Nieuw,” zei Sentman terug op de grond. “Het leek wel of er Romeinse kaarsen waren aangestoken die rode ballen omhoogschoten.” Zijn collega Wescott vergeleek de rode pluimen eerder met reusachtige kwallen: afgerond naar boven en met daaronder lange, sprieterige tentakels.

Doordat Sentman en Wescott hun waarnemingen deden vanuit twee vliegtuigen, konden zij hoogten en afmetingen afleiden van de merkwaardige lichtverschijnselen. “Voordat we de die tweede keer de lucht ingingen, hadden anderen gespeculeerd over hoogten van hooguit 40 à 50 kilometer,” zegt Sentman. “Niemand dacht dat het ook nog eens een ionosferisch verschijnsel kon zijn. Toch is dat wat wij maten. De rode ballen hadden diameters van zo’n 45 km en reikten tot maar liefst 90 km hoogte. De blauwe, blikkerende stralenbundels kwamen daarentegen maar 40 km hoog. Ze vormden een spektakel op zich. Toen we de video-opnamen namaten, bleek dat zij vanuit de wolk omhoogschoten met snelheden van 70.000 tot 360.000 kilometer per uur!”

Vanwege hun vorm en kleurverschil werden de rode ballen ‘red sprites’ genoemd: rode, boze geesten, trollen of kabouters. De blikkerende toeters kregen als naam ‘blue jets’, ofwel blauwe stralenbundels. Maar hoe uniek waren ze? In 1995 waren Sentman, Wescott én andere atmosferische onderzoekers uit Japan en de VS te gast bij de al in het begin van dit verhaal genoemde Walter Lyons in Colorado. Daar keken ze namelijk uit over de Great Plains en konden onweersstormen volgen van de Canadese grens tot Mexico.

“Iedere nacht kun je vanuit onze achtertuin wel ergens een onweersstorm zien,” had Lyons zijn bezoekers beloofd. Ze werden niet teleurgesteld. Bijna een half duizend red sprites en zo’n vijftig blauwe stralenbundels werden vastgelegd. Maar alsof dat nog niet genoeg was, stuitten ze ook nog op een derde soort lichtverschijnsel.

“We zagen ook nog eens zo’n vijftig afgeplatte schijven als van kernbomontploffingen,” zegt Walter Lyons. "Ze flitsten aan en uit. Ze waren zeker 400 km breed, maar waren slechts zeer kort te zien. We noemden ze ‘elves’, of elfen. Dat is een acroniem (letterwoord) voor _E_missions of _L_ight and _V_ery low frequency perturbations due to _E_lectromagnetic pulse _S_ources.

Al dat soort woordspelingen zijn natuurlijk wel leuk, maar wat zijn nu eigenlijk die red sprites, elves (die ook rood kunnen zijn) en blauwe stralenbundels?

“Hoewel ze te zien zijn boven onweersstormen, zijn het geen bliksemontladingen,” zegt Sentman. "Bliksemontladingen doen zich immers voor doordat zich positieve en negatieve ladingen ophopen. Tussen een onweerswolk en de aarde of tussen verschillende delen van de onweerswolk onstaan zo spanningsverschillen. Op een gegeven moment wordt het spanningsverschil zo groot, dat de luchtweerstand wordt overwonnen en er een vonkoverslag plaatsvindt. Er stromen elektronen van bijvoorbeeld de wolk naar aarde en daarbij wordt de lucht explosief verhit. De temperatuur loopt op tot 30.000 ^oC; je ziet een flits van zichtbaar licht, maar neemt ook röntgenstraling waar en hoort een karakteristiek gekraak op de radio.

“Misschien kunnen er nog wel ontladingen in de stratosfeer plaatsvinden. Dat is een theorie van C.T.R. Wilson uit 1925, die natuurlijk opnieuw in de belangstelling staat. Maar in de mesosfeer (luchtlaag van 50 tot 80 km hoogte) of ionosfeer (atmosferische laag boven 80 km hoogte): onmogelijk. Er kunnen daar slechts spanningsverschillen ontstaan van een paar volt per meter. Dat is nog geen tiende van wat nodig is om de luchtweerstand te overkomen en aanleiding te geven tot bliksemontladingen.”

Yuri Taranenko, van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico, dacht aan buitenaardse energie. Wat gebeurt er als hoog-energetische kosmische straling (in dit geval een gammastraal) een atoom treft in de hoge atmosfeer? De gammastraal slaat elektronen uit het atoom los. Die schieten weg met energieën van ongeveer één mega-elektronvolt en met de helft van de lichtsnelheid. Zij botsen weer op andere atomen, hebben hetzelfde effect en zo onstaat een sproeiregen van geladen deeltjes.

Tot dusver niets bijzonders. Kosmische straling schiet immers voortdurend door onze atmosfeer. Maar boven de positief geladen toppen van een onweersstorm kan zich hogerop een tegengestelde, negatieve lading vormen. Als de onweerswolk zich door een bliksemschicht ontlaadt, raakt die negatieve lading geïsoleerd.

Op die manier ontstaat een spanningsverschil met de nog veel hoger gelegen ionosfeer. En op dat moment schiet er toevallig een kosmische gammastraal voorbij. De elektronen die door zijn passage vrijkomen, schieten nu als in een elektrische stroom omhoog. Ze botsen tegen stikstofmoleculen in de lucht en brengen de elektronen daarvan naar een hoger energieniveau. Als die weer terugvallen, komt er straling vrij. Rood als het noorderlicht op grote hoogten, en blauw op lagere hoogten.

Zijn de raadselachtige lichtverschijnselen daarmee helemaal verklaard? Nee, wantin 1995 ontdekte Gerry Fishman van het Marshall Space Flight Center intense gammasstraling met behulp van het Compton Gamma Ray Observatory. Die satelliet was gelanceerd voor het waarnemen van gammastralingsbronnen in de ruimte, maar nam nu gammastralingsuitbarstingen op ongeveer 30 km hoogte in onze dampkring aarde waar! Kwamen die ook van de blauwe stralenbundels, elfen of boze geesten?

Erg lang duurde zal de ontraadseling niet, omdat ook de US Air Force zich met de lichtverschijnselen bezig ging houden. Omdat het elektrische verschijnselen zijn, konden ze immers wel eens hinder veroorzaken bij met allerlei sensors uitgeruste militaire vliegtuigen, raketten en satellieten.

Wetenschap en luchtmacht konden vaststellen dat negen van de tien red sprites opflitsen na zeer zeldzame, ‘positieve superschichten’, waarbij elektronen helemaal vanaf van het aardoppervlak naar de hoogste wolkentoppen schieten. Daarbij gaat het om grotere afstanden en dus ook om grotere spanningsverschillen. Dat is ruim voldoende om zónder kosmische straling de lichtverschijnselen op gang te brengen.