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Schädlicher Blitzschlag

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Blitze sind mehr als nur Licht und Geräusche: Sie sind eine starke chemische Fabrik, die sowohl die lokale Qualität der Luft, als auch das globale Klima beeinflusst. Aber, wie groß ist der Effekt? Die Forscher sind sich nicht sicher. Um die Frage zu beantworten, entwickeln sie eine neue Technik, um die Leistung der „Fabrik“ zu bestimmen.

Wenn sie erfolgreich sind, wird die Methode am Geostationary Lightning Mapper (GLM) angewendet, der die westliche Hemisphäre, mit einem Wettersatelliten der nächsten Generation, der im Juli 2014 starten soll, beobachten wird.

"Atmosphärenchemiker sind sehr interessiert an den Spuren, die Gase, hervorgerufen durch Blitze, produzieren, besonders den Stickstoff Oxiden ('NOx in Kürze')," erklärt William Koshak, ein Blitzforscher von NASA's Marshall Space Flight Center. NOx enthält Stickoxid (NO), ein giftiger Schadstoff, hervorgerufen durch Motoren und Kraftwerke, sowie Stickstoff Dioxid (NO2), ein giftiges, rot-braunes Gas mit einem stechenden Geruch.

"Wir wissen, dass Blitze die bedeutendste Quelle von NOx in der oberen Troposphäre sind, wo unser Wetter entsteht," fährt Koshak fort. "NOx beeinflusst direkt unser Klima, weil es teilweise die Ozonkonzentration (O3) und Hydroxylradikale (OH) in der Atmosphäre kontrolliert. Ozon ist ein wichtiges Treibhausgas, und OH ist ein hochreaktives Molekül, das die Oxidation verschiedener Treibhausgase kontrolliert."

Während der Ausstoß von Autos und der Industrie gemessen werden kann, ist Blitzschlag eine Unbekannte in den Modellen von regionaler Luftqualität und globalem Klima, weil es schwierig ist ein realistisches Modell von mehreren Charakteristiken von Blitzen zu erstellen -- in diesem Fall die Energie der Blitze und den thermochemischen Anteil an NOx, hervorgerufen durch Blitzschlag. Daher ist die globale Produktionsrate von NOx durch Blitze nicht bekannt, und bewegt sich zwischen 2 - 20 Teragramm (1 Teragramm = 1 Billion Gramm) pro Jahr.

"Glücklicherweise haben die Messungen der Atmosphärenchemie aus dem Weltraum, durchgeführt mit NASA's Aura Satelliten, eine 'Top Down' Beschränkung der globalen Chemie und Klimamodelle geliefert," sagt Koshak. "Mit diesen neuen Rahmenbedingungen liegt die derzeit beste Abschätzung bei 6 Teragramm pro Jahr. Es muss jedoch noch mehr daran gearbeitet werden, die Modelle der Blitze und anderen chemischen Prozesse zu verbessern, bevor man dieser Abschätzung vertrauen kann."

Zum besseren Verständnis der Energie eines Blitzes -- einem kritischen Parameter bei der NOx Produktion durch Blitze -- haben Koshak und seine Kollegen Daten vom Lightning Imaging Sensor (LIS), an Bord des Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Satelliten, sowie 2 Arrays von Instrumenten am Boden, an NASA's Kennedy Space Center in Florida, analysiert. LIS ist eine spezielle Kamera, die einen engen Spezialfilter und andere Techniken nutzt, um die Emissionen des Blitzes im optischen Bereich, sowohl bei Tag als auch bei Nacht, zu messen. Der Filter ist auf einen Wellenlängenbereich von 777.4 nm eingestellt, was gerade unter dem tiefen Rotlimit für das menschliche Auge liegt.

"Die Idee ist es zu untersuchen, welcher Zusammenhang vielleicht zwischen den optischen Charakteristiken der Blitze, beobachtet mit dem LIS, und denen die mit den Erdstationierten Instrumenten beobachtet wurden, besteht. Die Instrumente am Boden erlauben es uns tief in der Gewitterwolke zu messen, und so die Geometrie des Blitzkanals, die Ladungen des Blitzes, und die Energie des Blitzes zu bestimmen. Der Schlüssel liegt darin zu sehen, ob die Beobachtungen aus dem Weltraum mit den Abschätzungen der Blitzenergie, gemessen vom Boden aus, in Beziehung gebracht werden können. Wenn dies der Fall ist, wäre es möglich die Sensoren im All zu nutzen, um von der Entfernung aus, die Blitzenergien über einem viel größeren Gebiet zu bestimmen," sagt Koshak.

Die mittlere Wolkendichte ist variabel und streut daher das Licht, welches von den Blitzen abgegeben wird auf komplexe Art und Weise. Energiereiche Blitze, die tief in einer "optisch dichten" Gewitterwolke liegen, könnten für einen Sensor im All sehr schwach erscheinen, wohingegen energetisch schwache Blitze nahe der Wolkengrenze relativ hell erscheinen können.  All diese komplexen Zusammenhänge müssen enthüllt werden, und das ist eine knifflige Aufgabe.

Letztendlich hofft Koshak eine Technik liefern zu können, die GLM Daten nutzt um die Energie von Blitzen zu bestimmen. "In der Praxis erledigen wir das auf eine statistische Art und Weise. Wir würden gerne den Atmosphärenchemikern eine realistische Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion für die Energie von Blitzen geben, die sie in ihren Modellen nutzen können, um Blitze besser simulieren zu können (sowohl von Blitzen am Boden als auch von Blitzen in Wolken)."

Davon ausgehend werden Wissenschaftler beginnen, die globale Produktion eines der Hauptverschmutzer in der Atmosphäre besser zu verstehen, und mit dem globalen Klima und der Luftqualität zu verknüpfen.

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