“Deze bevinding staat haaks op het huidige beeld, waarin de lading langs plasmakanalen vloeit en direct of van één deel van de wolk naar een ander deel gaat, of naar de aardbodem”, legt Olaf Scholten uit, hoogleraar Natuurkunde aan het KVI-CART van de Rijksuniversiteit Groningen. De reden waarom de naalden nooit eerder zijn waargenomen, ligt in de ‘topcapaciteit’ van LOFAR, voegt zijn collega dr. Brian Hare toe, de eerste auteur van het artikel: “Deze naalden kunnen een lengte hebben van 100 meter en een diameter van minder dan vijf meter, en zijn te klein en te kortstondig om door andere bliksemdetectiesystemen geregistreerd te worden.”

De Low Frequency Array (LOFAR) is een Nederlandse radiotelescoop die bestaat uit duizenden redelijk eenvoudige antennes die verspreid zijn over Noord-Europa. De antennes zijn met glasvezelkabels verbonden aan een centrale computer, wat betekent dat ze als één geheel kunnen functioneren. LOFAR is voornamelijk ontwikkeld voor het doen van radioastronomische waarnemingen, maar het frequentiebereik van de antennes maakt het systeem ook geschikt voor bliksemonderzoek, omdat bliksemontladingen sterke pulsen uitzenden in de VHF-radiofrequentieband (zeer hoge frequentie).

Binnen in de wolk

Voor de bliksemwaarnemingen in het nieuwe onderzoek hebben de wetenschappers alleen van de LOFAR-stations op Nederlands grondgebied gebruik gemaakt, die samen een oppervlak van 3.200 vierkante kilometer beslaan. Er is een analyse gemaakt van de ruwe tijdsporen (die tot op een nanoseconde nauwkeurig zijn), gemeten in de 30-80 MHz-frequentieband. Brian Hare: “Met deze gegevens kunnen we de verplaatsing van de bliksem op een dusdanige schaal bekijken dat we, voor het eerst, in staat zijn om de primaire processen te onderscheiden. Bovendien geeft het gebruik van radiogolven ons de mogelijkheid om binnen in de wolk te kijken, waar het merendeel van de bliksem zich bevindt.”

Bliksem ontstaat wanneer sterke opwaartse luchtstromen een soort statische elektriciteit opwekken in grote cumulonimbuswolken. Delen van de wolk raken positief geladen en andere delen juist negatief. Wanneer deze ladingsscheiding sterk genoeg is geworden, vindt er een heftige ontlading plaats, die we als bliksem kennen. Een dergelijke ontlading begint ermee dat er een plasma ontstaat, een klein gebied van geïoniseerde lucht dat zo heet is dat het elektrisch geleidend wordt. Dit kleine gebied groeit dan uit tot een gevorkt plasmakanaal dat meerdere kilometers lang kan worden. De positief geladen uiteinden van het plasmakanaal verzamelen uit de wolk negatieve ladingen, die zich door het kanaal verplaatsen naar het negatief geladen uiteinde, waar de lading gedeponeerd wordt. Het was al bekend dat er aan de kant van de groeiende uiteinden van de negatieve kanalen een grote hoeveelheid VHF-emissie geproduceerd wordt, terwijl de positieve kanalen alleen emissies vertonen langs het kanaal, en niet aan het uiteinde ervan.

Een nieuw algoritme

De wetenschappers hebben een nieuw algoritme voor de LOFAR-gegevens ontwikkeld, waardoor ze van twee bliksemflitsen de VHF-radio-emissies konden visualiseren. Dankzij de verspreiding van de antennes over een groot gebied en het zeer nauwkeurige tijdstempel op alle vergaarde gegevens, konden ze de bronnen van de emissie met een niet eerder vertoonde precisie lokaliseren. “Dicht bij het kerngebied van LOFAR, waar de antennedichtheid het grootst is, was de ruimtelijke nauwkeurigheid ongeveer een meter”, zegt professor dr. Scholten. Bovendien was het met de verzamelde gegevens mogelijk om tien keer zoveel VHF-bronnen te lokaliseren dan met andere driedimensionale beeldvormingssystemen, met een tijdsresolutie in de orde van nanoseconden. Dit resulteerde in een hoge resolutie 3D-beeld van de bliksemontlading.