Blitze triggern Kernreaktionen in der Atmosphäre

  • 23. November 2017

Nachweis radioaktiver Zerfallsreaktionen während eines Gewitters gelungen.

Schon vor knapp hundert Jahren schlug der schottische Physiker und Meteoro­loge Charles Wilson vor, Gewitter und beglei­tende Blitze könnten Kern­reak­tionen in der Atmo­sphäre ver­ur­sachen. Trotz des Nach­weises von Neutronen, Gamma­strahlung und energie­reicher Elek­tronen in den folgenden Jahr­zehnten fehlten bisher jedoch ein­deutige Hin­weise auf diese Prozesse. Doch jetzt gelang es einer Forscher­gruppe in Japan, den Ablauf der von Blitzen ver­ur­sachten Kern­reak­tionen schlüssig nach­zu­weisen.

Gewitter mit nuklearen Reaktionen

Abb.: Während eines Gewitters triggern inten­sive Gamma­blitze in einer photo­nukle­aren Reaktion den Zer­fall von Stick­stoff­kernen. (Bild: T. Enoto et al.)

Teruaki Enoto von der Universität Kyoto und seine Kollegen von der Univer­sität Tokyo unter­suchten während eines Winter­sturms Anfang Februar dieses Jahres die Gamma­strahlung aus tiefen Gewitter­wolken. Mit vier Szinti­llator-Detek­toren zeich­neten sie im Rahmen des Projekts „Gamma-ray Obser­vation of Winter Thunder­clouds“ die energie­reiche Strah­lung auf. Ein­deutig konnten sie nach einer atmo­sphä­rischen Ent­ladung zuerst einen inten­siven Gamma­strah­lungs­blitz von weniger als einer Milli­sekunde Dauer nach­weisen. Kurz darauf zeich­neten die Detek­toren Gamma­strahlung mit einer Energie von 511 Kilo­elek­tronen­volt auf, die für etwa eine Minute anhielt.

Diese Messungen korrelierten eindeutig mit den Blitzen. Ihre zeit­liche Abfolge ließ die Forscher auf einen photo­nukle­aren Prozess in der unteren Atmo­sphäre schließen. Dabei trafen nach dem Blitz Photonen mit Energien von mehr als zehn Mega­elek­tronen­volt auf Stick­stoff-14-Kerne und schlugen je ein Neutron heraus. Das ent­stan­dene Stick­stoff-13-Isotop zerfiel binnen weniger Minuten in Kohlen­stoff-13, sowie ein Neutrino und ein Positron je Atom­kern. Die Posi­tronen anni­hi­lierten schließ­lich mit Elek­tronen in der Atmo­sphäre, wodurch jeweils zwei Photonen mit einer Energie von 511 Kilo­elek­tronen­volt ent­standen.

Ein analoger photonuklearer Prozess ist ebenfalls mit dem Zerfall von Sauer­stoff-16-Kernen möglich. Weitere Experi­mente könnten in Zukunft die Pro­duk­tion anderer Isotope belegen. Da Blitze in der Atmo­sphäre das Isotop Kohlen­stoff-13 erzeugen, könnte diese Ent­deckung Aus­wir­kungen auf die Datie­rung archäo­lo­gischer Proben mit der C-14-Methode haben. Ein von Blitzen ver­ur­sachter Fusions­prozess, in dem Wasser­stoff­kerne in einem heißen Plasma zu Helium­kernen ver­schmelzen, lässt sich nun für die Pro­duk­tion von Neutronen während eines Gewitters aus­schließen.

Jan Oliver Löfken

RK

Share |

Produkte des Monats

Webinar

Optik-Simulation geladener Teilchen

  • 24. January 2019

Nehmen Sie an diesem Webinar teil, um mehr über Simula­tionen der Optik gela­dener Teil­chen zu er­fah­ren. Sie lernen, wie man die Trajek­torien von Ionen, Elek­tronen, Atomen und Mole­külen in Gegen­wart von elek­tri­schen und magne­tischen Kräf­ten be­rech­net, um z.B. Einzel­linsen, Teil­chen­be­schleu­ni­ger oder auch Protonen­bewegungen im Erd­magnet­feld zu model­lieren.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer