Niet onder een boom staan als het onweert, bliksemafleiders op het dak… Het is duidelijk: bliksemschichten komen vanuit de lucht op ons af. In zo’n 90% van de gevallen is dat inderdaad waar. Deze flitsen, vonken die van de wolken naar de aarde overspringen, noemen we ‘negatieve’ ontladingen. De andere kant op is ook mogelijk, maar in de natuur heel zeldzaam. In het laboratorium is het juist omgekeerd: daar blijkt het makkelijk om vonken van de aarde naar een geladen voorwerp te laten springen, maar de omgekeerde situatie is moeilijk te verwezenlijken.

Ionisatiekanaal

Een vonk ontstaat als er een ladingsverschil tussen twee voorwerpen is, dat zo groot is dat het niet meer stabiel blijft. De twee geleidende voorwerpen hebben geen contact met elkaar, doordat er een isolerende stof tussen zit (bijvoorbeeld lucht). Als het ladingsverschil groot genoeg wordt, vormt zich een kanaal tussen de twee voorwerpen, waarin de lucht geïoniseerd raakt. Dan springt de vonk over van dat kanaal: lading van het positief geladen voorwerp springt over op het negatief geladen voorwerp om beide te neutraliseren. Bij een bliksemflits gebeurt dat tussen de wolken en de aarde, maar ook in huis kom je vonken tegen: de ontsteker van het gasfornuis, een vonk die overspringt als je een stekker in het stopcontact stopt, of zelfs als je in koud winterweer statisch geladen bent geraakt en je pakt de deurklink vast.

Er is nog veel onduidelijk over vonken. Waarom positieve ontladingen bijvoorbeeld veel makkelijker in het laboratorium te maken zijn dan negatieve, terwijl het in de natuur andersom lijkt te zijn. Waarom positieve ontladingen soms ‘sprites’ opwekken, indrukwekkende vonken boven de wolken, terwijl negatieve dat nooit doen. Om wat opheldering te vinden hebben Alejandro Luque, Valeria Ratushaya en Ute Ebert van het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam een computermodel gemaakt van een overslaande vonk.

Dikke kanalen

De simulatie bleek niet alleen goed genoeg te zijn om ‘echte’ bliksemexperimenten die recent in Eindhoven zijn gedaan te bevestigen, maar leverde ook nog een eigen resultaat op. De vorming van het ionisatiekanaal waardoor een vonk over kan springen is namelijk verschillend bij positieve en negatieve ontladingen. Positieve lading maakt een kanaal met een dikte die afhangt van het kwadraat van de lading, terwijl negatieve vonken een kanaal vormen dat afhangt van de lading zelf. Daardoor zijn positieve ontladingen ‘dikker’: het kanaal biedt de vonken meer ruimte. Een resultaat daarvan is dat positieve vonken sneller van het ene naar het andere voorwerp springen dan negatieve. De voorkant van een positieve flits blijkt ook een scherpere ‘punt’ te hebben dan een negatieve – ook goed voor de snelheid waarmee hij zich van de ene naar de andere kant verplaatst.

Het computermodel van de Amsterdamse onderzoekers blijkt dus een nuttige bijdrage te kunnen leveren aan het onderzoek dat er vanuit andere wetenschapsgebieden aan bliksemflitsen wordt gedaan. Het resultaat werd op 7 december jongstleden gepubliceerd in een speciale uitgave van het vooraanstaande tijdschrift Journal of Physics D: Applied Physics.