Blitze bilden sich anders als bisher angenommen –Mikroentladungen als Auslöser nachgewiesen
Forschende wollten verstehen, wie sich Wolken elektrifizieren – und letztlich auch, wie Blitzentladungen ausgelöst werden. Im Labor konnten nun erstmals einzelne Partikel aufgeladen und untersucht werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, wie sich Eiskristalle in Gewitterwolken verhalten.
Forschenden ist gelungen, mit Laserstrahlen mikroskopisch kleine Partikel einzufangen, elektrisch aufzuladen und zu beobachten. Die Schwebeteilchen sollen Eiskristalle in Wolken nachahmen, deren elektrisches Verhalten unter den richtigen Bedingungen Gewitter entstehen lässt.
Am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) entwickelte Doktorandin Andrea Stöllner aus den Forschungsgruppen von Scott Waitukaitis und Michael Müller gemeinsam mit Isaac Lenton und weiteren Forschenden ein Verfahren, das ein einziges solcher Partikel – ein winziges transparentes Silicakügelchen – in einer Laserfalle fixiert und kontrolliert auflädt. Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Laserstrahlen werden über Spiegel umgelenkt, gebündelt und treffen schließlich in einem kleinen Behälter zusammen, wo sie eine optische Falle erzeugen. Durch die schweben die Partikel, bis eins im Lichtkegel hängen bleibt und als leuchtend grüner Punkt sichtbar wird. Dann hat das System ein Teilchen gefangen. „Als ich zum ersten Mal ein Partikel eingefangen hatte, war ich überglücklich“, erinnert sich Stöllner.
Vier Jahre dauerte es, bis die Anlage zuverlässig funktionierte. „Ursprünglich sollte unser Aufbau nur ein einzelnes Partikel halten, seine Ladung messen und herausfinden, wie sich diese bei veränderter Luftfeuchtigkeit ändert“, sagt Stöllner. Doch schon früh zeigte sich, dass der Laser selbst die Ladung des Partikels verändert.
Zwei Photonen reichen
Das Team konnte nachweisen, dass das Partikel über einen sogenannten Zwei-Photonen-Prozess geladen wird: Treffen zwei Photonen gleichzeitig auf das Silicakügelchen, können sie ein Elektron herausschlagen – das Partikel wird dadurch positiv geladen. Je stärker es sich auflädt, desto häufiger kommt es auch zu spontanen kleinen Entladungen.
„Wir können nun ganz genau verfolgen, wie sich ein einziges Aerosolpartikel von neutral zu stark positiv aufgeladen entwickelt und die Laserleistung so einstellen, dass wir die Rate kontrollieren können“, erklärt Stöllner. Die Möglichkeit, den gesamten Vorgang zeitaufgelöst zu beobachten, sei für atmosphärenphysikalische Fragen enorm wertvoll.
Das Innere eines Gewitters
In Gewitterwolken kollidieren Eiskristalle und größere Eisbrocken, wobei elektrische Ladung übertragen wird. Über die folgenden Schritte jedoch rätselt die Wissenschaft noch. Das elektrische Feld in einer Wolke scheint eigentlich zu schwach, um einen Blitz allein auszulösen.
Vielleicht geben die Modellpartikel Hinweise darauf, was im Inneren einer Wolke im Mikrometermaßstab geschieht. „Stellen Sie sich vor, sie würden irgendwann winzige, blitzähnliche Entladungen erzeugen – das wäre unglaublich“, sagt Stöllner. Das Team will nun weiter daran forschen, in der Hoffnung, dem Ursprung von Blitzen näherzukommen.
Quellenhinweis:
Stoellner, A., Lenton, I. C. D., Volosniev, A. G., Millen, J., Shibuya, R., Ishii, H., Rak, D., Alpichshev, Z., David, G., Signorell, R., Muller, C., & Waitukaitis, S. (2025): Using optical tweezers to simultaneously trap, charge and measure the charge of a microparticle in air. Physical Review Letters.