De Nederlandse radiotelescoop LOFAR kan nauwkeurige metingen aan bliksem doen. Wetenschappers hopen ermee te ontdekken hoe onweer ontstaat, iets wat na tientallen jaren bliksemonderzoek nog steeds niet precies helder is.
Het is een zinderende septemberdag. Zover het oog reikt, is beschutting tegen de ongenadige zon nauwelijks te bekennen. Brandnetels prikken mijn enkels. Er moet nodig gemaaid worden, geeft mijn begeleider toe. Ik sta in het hart van Drenthe en dit is vooral het domein van insecten en vogels, en van dagjesmensen die er fietsen, vermoedelijk op zoek naar de vele hunebedden in de buurt. Het is ook de plek waar ruim tweeduizend antennes van radiotelescoop LOFAR (Low-Frequency Array) staan, in vorm lijkend op korte, rechtopstaande vlaggenstokken. En er zijn nog meer antennes ingepakt in zwarte dozen.
Het zijn hete dagen als deze die wel eens eindigen met een stevige bui en een paar goeie donderklappen. Dit open veld lijkt wel de laatste plek waar je dan wil zijn. Tegen de regen en onweer biedt het voormalig landbouwgebied in de buurt van Exloo, dat nu beschermde natuur is, geen bescherming.
Antennes van radiotelescoop LOFAR, die in 2010 in gebruik werd genomen.
Roel van der Heijden voor NEMO KennislinkToch wrijven wetenschappers in hun handen wanneer de donderkoppen zich verzamelen boven LOFAR. Zo ook Brian Hare. Hij gebruikt de antennes van de radiotelescoop om onderzoek te doen naar bliksem. De afgelopen jaren bleek het astronomische observatorium bliksemschichten haarfijn in kaart te kunnen brengen. Hare, verbonden aan onderzoeksinstituut ASTRON en de Rijksuniversiteit Groningen, en in 2017 betrokken bij het opzetten van een onderzoeksgroep voor bliksem, hoopt te ontdekken hoe onweer precies ontstaat. Na tientallen jaren bliksemonderzoek is dat nog steeds niet duidelijk.
Ontlading in de vorm van een bliksemschicht gebeurt binnen een wolk of naar de grond toe.
Pexels, Kaan DemircanKilometers lange structuren
Volgens Hare kun je gerust stellen dat bliksem een enigma is. “Elke keer dat ik nieuwe LOFAR-plaatjes van een bliksemschicht zie, ontdek ik iets wat ik nog niet eerder zag. We begrijpen betrekkelijk weinig van bliksem en weten niet waarom die zich gedraagt zoals die doet.” Hare heeft met LOFAR een instrument in handen waarmee hij kan onderzoeken hoe een bliksemschicht hoog in de wolken begint en vervolgens uitgroeit tot structuren van tientallen kilometers lang.
Natuurlijk zijn er ideeën over hoe onweer ontstaat. Elektrische velden in de donderwolken spelen vermoedelijk een rol, net als op- en neerwaarts bewegende ijskristallen en regendruppels die lading transporteren en ervoor zorgen dat er gebieden met een positieve lading (doorgaans hoog in de wolk) en gebieden met een negatieve lading (laag in de wolk) ontstaan. Uiteindelijk wordt de opgebouwde spanning zo groot dat er een ontlading plaatsvindt. Hoe dat begint, is onduidelijk. De ontlading in de vorm van een bliksemschicht gebeurt binnen een wolk of naar de grond toe. Dit is wat de antennes van LOFAR registreren. Ze pikken radiogolven op van het puntje van de bliksemschicht, dat zich een weg baant door de atmosfeer.
Puntje in beeld
LOFAR bestaat uit veel meetstations. Bij de kern van de telescoop die ik vandaag bezoek, liggen ze verspreid over een gebied van zo’n 1 bij 2 kilometer. In Nederland zijn er nog enkele stations op tientallen kilometers afstand die de onderzoekers ook gebruiken. Door naar de richting en de aankomsttijden van de onweerssignalen te kijken, kunnen ze een driedimensionaal beeld van de bliksem maken, tot op ongeveer 1 meter precies. Het razendsnelle proces is tot op de nanoseconde te volgen.
LOFAR legt bliksemschichten tot een afstand van zo’n 50 kilometer gedetailleerd vast. De radiotelescoop heeft antennestations door heel Europa, maar voor de onweersmetingen gebruiken onderzoekers alleen de Nederlandse antennes, die voornamelijk in Drenthe staan.
Bliksem produceert veel radiostraling. En zelfs het feit dát het dat doet en meetbaar is voor LOFAR, begrijpen onderzoekers niet helemaal, zegt Hare. “De stroom elektronen die door een bliksemschicht schiet, is het in ieder geval niet. Die produceert langere radiogolven die LOFAR niet registreert. De hoge frequenties – tussen de dertig en tachtig megahertz – die we meten, zijn afkomstig van veel kleinere processen, zoals vonken die ervoor zorgen dat koude lucht in een heet en geleidend plasma verandert. Dit gebeurt bij het puntje van de bliksem en creëert een geleidend kanaal. Dat is een complex en onbegrepen proces, en dat maakt het lastig om de beelden van bliksem door LOFAR te interpreteren. In zekere zin zien we de bliksem, maar we weten niet precies waarnaar we kijken.”
Dat er nog zo weinig bekend is over onweer, heeft onder meer te maken met het onvoorspelbare karakter en de snelheid ervan. Natuurlijk, je kunt prachtige foto’s of video’s vinden van de bliksem, maar om het in detail te bestuderen heb je speciale snelle camera’s nodig. “Toch zijn die camera’s die wel een miljoen beelden per seconde maken, nog steeds te langzaam om de bliksemdetails vast te leggen zoals LOFAR dat doet. Wij maken een miljard beelden per seconde en zien bovendien wat er ín de wolken gebeurt”, vertelt Hare. “Overigens onderzoeken mensen donderstormen al heel lang voor de weersvoorspelling. Dat gebeurt met een wereldwijd netwerk van speciale radioantennes. Toch zijn deze installaties niet in staat de vorm van bliksem te bepalen zoals LOFAR dat doet.”
Veel informatie
De vogels die gezien de vogelpoep nogal eens op sommige van de ontelbare LOFAR-paaltjes om ons heen neerstrijken, hebben geen idee dat ze even uitrusten op een geavanceerd astronomisch observatorium. De antennes verzamelen dag en nacht gegevens over sterrenstelsels en zwarte gaten op miljarden lichtjaren afstand. Het onweersonderzoek is daarmee vergeleken een thuiswedstrijd.
Op het moment dat er onweer nadert, sturen Hare en collega’s de controlekamer van LOFAR een verzoek om metingen te doen. De telescoop gaat hiervoor in een speciale onweersmodus en astronomische waarnemingen worden gestaakt. Dat laatste is niet zo erg volgens Hare, want LOFAR is hiervoor tijdens een donderstorm sowieso onbruikbaar. Per antennestation gebruiken de bliksemonderzoekers maar 6 van de 96 ontvangers; dat is ruim voldoende om een beeld van het onweer te krijgen. Van de in totaal 38 Nederlandse stations gebruiken ze bijna 230 antennes. Per jaar onderzoeken ze hiermee ongeveer 100 bliksemschichten. “Elke bliksem produceert veel informatie; daar zijn we altijd een tijdje zoet mee.” Hare en collega’s werken ook samen met meteorologen van onder meer het Nederlandse weerinstituut KNMI. De metingen van LOFAR kunnen dienen om bestaande detectiesystemen voor onweer te testen. Dat leidt weer tot betere weersvoorspellingen.
Op zijn kop
Maar uiteindelijk is het vooral fundamenteel donderonderzoek dat de onderzoekers bezighoudt. De vragenlijst is lang. Zo is er ook iets curieus aan de hand met bliksem in Nederland; deze lijkt namelijk ‘op zijn kop’ te staan. “Dat is in ieder geval wat ik hoor als ik onze plaatjes aan bijvoorbeeld collega’s in de Verenigde Staten laat zien, waar veel bliksemonderzoek wordt gedaan”, zegt Hare. “Waarschijnlijk heeft deze omdraaiing te maken met de opbouw van donderwolken. In koudere gebieden, zoals in Nederland, kan het positief geladen gebied juist laag in de wolk zitten, waardoor de bliksem zich van uit het centrale negatieve gebied makkelijker naar beneden ontwikkelt. Dat is in ieder geval onze hypothese. Daarnaast hebben we onlangs zogenoemde sparkles gevonden, kleine bliksemschichtjes in de wolk die niet uitgroeien tot grotere exemplaren. Niemand anders kan die met zoveel detail zien als wij met LOFAR.”
Het toont volgens Hare aan dat bliksemonderzoek met LOFAR veel nieuwe kennis over onweer oplevert. Veel onderzoek gebeurt in regio’s met een veel warmer klimaat, bijvoorbeeld Florida, New Mexico, Spanje en Zuid-Frankrijk, en dat levert een ander soort bliksem op. Onweer is in die zin minstens zo veranderlijk als het weer.