- Onderzoek , Sluitstuk
- 09/09/2021
Sluitstuk | De bron van bliksem
Elke seconde bliksemt het op aarde tientallen keren. Je zou zeggen dat we inmiddels wel alles weten van zo’n veelvoorkomend fenomeen. Toch is het volgens promovendus Shahriar Mirpour eigenlijk nog een mysterie hoe bliksemschichten precies ontstaan. In het lab van Elementary Processes in Discharges (Applied Physics) wist hij een tipje van de sluier op te lichten.
In principe weten we hoe bliksem werkt: door opgebouwde elektrische ladingsverschillen worden vrije elektronen in een onweerswolk zodanig versneld dat ze door botsingen met moleculen in de lucht nieuwe elektronen vrijmaken. Zo ontstaat een soort sneeuwbaleffect dat een zogeheten ionisatiekanaal creëert: een langwerpig kanaal van geladen deeltjes dat in staat is om een grote elektrisch stroom te geleiden. Zodra een ionisatiekanaal een onweerswolk verbindt met de grond (of met een andere wolk) ontstaat een bliksemschicht: een kortstondige elektrische ontlading van gemiddeld dertig kiloampère.
Maar zo simpel is het in de praktijk niet, schrijft de Iraanse promovendus Shahriar Mirpour in zijn proefschrift. De elektrische velden die zijn gemeten in onweerswolken, voor het eerst in 1945 vanuit een Amerikaanse B25-bommenwerper en later met geavanceerde weerballonnen, blijken namelijk veel te zwak te zijn om zo’n cascade van elektronen te veroorzaken. “Dat is zelfs zo als je rekening houdt met de lagere luchtdruk en hogere luchtvochtigheid in onweerswolken, die beide zorgen voor een lagere zogeheten doorslagspanning. Het allereerste begin van bliksem is dus eigenlijk nog een mysterie.”
IJsdeeltjes
Het vermoeden is daarom dat ijsdeeltjes in de onweerswolk iets doen met het elektrisch veld, legt Mirpour uit. “Nabij de scherpe punt van zo’n ijsdeeltje zou het elektrisch veld een stuk hoger zijn, waardoor op die plek een lawine van elektronen kan ontstaan.” Om die hypothese te toetsen, bouwde hij een experimentele opstelling waarin hij kleine voorwerpen van verschillende vormen, lengtes en materialen aan vislijnen ophing tussen twee plaatvormige elektrodes onder hoogspanning. Met een hogesnelheidscamera legde hij de ontstane vonken vast.
Omdat het nogal onpraktisch is om met echte ijsdeeltjes te werken - al was het maar omdat ze in het lab een stuk sneller smelten dan in een ijskoude onweerswolk - besloot Mirpour zijn testdeeltjes te vervaardigen van titaniumoxide. “De elektrische eigenschappen van die halfgeleider lijken het meest op die van ijs. Maar titaniumoxide is keramiek en dat is lastig te bewerken. Uiteindelijk ben ik twee jaar bezig geweest om een serie testdeeltjes te maken met een lengte van één tot acht centimeter.”
Lees verder onder de foto
Als vergelijkingsmateriaal gebruikte de Iraniër voorwerpen van messing, een legering (mengsel) van voornamelijk koper en zink. “Omdat messing elektriciteit te goed geleidt, is dat in principe een slechter materiaal om ijs na te bootsen dan titaniumoxide.” Wrang genoeg bleek dat voor de resultaten echter maar weinig uit te maken: “Ik zou daarom iedereen aanraden om voor dit soort experimenten messing te gebruiken. Dat is veel goedkoper en kostte maar een week om te maken.”
In zijn experimenten zag Mirpour inderdaad dat nabij zijn namaak-ijsdeeltjes al bij veel lagere spanning (en dus elektrische veldsterkte) vonken ontstonden. “Dat zou betekenen dat, als je een serie van dit soort deeltjes hebt in een onweerswolk, over een voldoende grote afstand, die ijsdeeltjes inderdaad het ontstaan van bliksem kunnen faciliteren.”
Hij observeerde ook dat de benodigde gemiddelde veldsterkte afneemt naarmate de gebruikte deeltjes puntiger zijn, omdat het elektrisch veld dan als het ware sterker geconcentreerd wordt. Maar er is een optimum: bij te kleine, puntige deeltjes is het gebiedje waarin de elektrische veldsterkte verhoogd is te klein om daadwerkelijk elektronen te kunnen versnellen. Dat zou volgens de promovendus betekenen dat de precieze grootte en verdeling van de ijsdeeltjes in onweerswolken van doorslaggevend belang is bij de vorming van bliksem.
Kilometers
Dat het mysterie nu daadwerkelijk is opgelost, durft Mirpour niet te stellen. “Ik heb maar naar één deeltje tegelijk gekeken; de omstandigheden in de atmosfeer zijn natuurlijk heel anders dan bij ons in het lab. Bovendien is bliksem een ontlading die plaatsvindt over een afstand van kilometers. Het blijft moeilijk om daar met een schaalmodel in het lab definitieve uitspraken over te doen.”
Na zijn promotie gaat de Iraniër op zoek naar een baan in het bedrijfsleven. “Ik heb tijdens mijn promotie niet alleen bliksem gemaakt, maar ook veel geleerd over hoe je ontladingen kunt voorkómen; dat is relevante kennis voor diverse technische bedrijven, zoals ASML. Ik hoop in ieder geval ergens in Nederland aan de slag te kunnen, want ik vind dit een fijn land om te wonen.”
Bekijk ook de onderstaande animatie die Shahriar Mirpour heeft gemaakt ter verduidelijking van zijn experiment.
Discussie