24. Nov. 2017

Blitzschlag.

Gewitter bringen Elektronen offenbar auf derartige Geschwindigkeiten, dass sie Neutronen aus Atomkernen herausschlagen können und so Zerfallsketten in der Atmosphäre auslösen, die denen der harten kosmischen Strahlung gleichen. Japanische Hochenergiephysiker haben das jetzt bei einem Gewitter über der japanischen Westküste beobachtet und in "Nature" mitgeteilt. Die Unwetter wären damit neben der kosmischen Strahlung die zweite natürliche Quelle für instabile Isotope in der Atmosphäre.

Am 6. Februar 2017 tobte ein heftiges Gewitter über dem Kernkraftwerk Kashiwazaki-Kariwa in der japanischen Präfektur Niigata. Die Region ist bekannt für ihre heftigen Wintergewitter und das vom 6. Februar machte da keine Ausnahme. Ein besonders starker Blitz hat es jetzt ins Wissenschaftsmagazin "Nature" geschafft, denn bei ihm haben Forscher der Universität Kyoto die Produktion von instabilen Isotopen der Elemente Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff verfolgt. Damit kommen Gewitter als Quellen für radioaktive Isotope in der Atmosphäre in Betracht. Die einzige andere natürliche Quelle ist der hochenergetische Teil der kosmischen Strahlung.

"Wir sind eigentlich Astrophysiker, aber eine Anwendung unserer Röntgenastronomieinstrumente ist die Beobachtung von Hochenergiephänomenen in der Atmosphäre", berichtet Teruaki Enoto. Seit 2006 betreibt die Arbeitsgruppe an der Universität Kyoto, in der Enoto forscht, vier der kompakten Geräte auf dem Gelände des Kernkraftwerks. Normalerweise werden die Instrumente an Bord von Satelliten eingesetzt, doch am Japanischen Meer überwachten sie vom Boden aus den Himmel. Und am 6. Februar hatten die Hochenergiephysiker Glück. Alle vier Detektoren protokollierten die Strahlenausbrüche, die durch einen besonders starken Blitz ausgelöst wurden. "Wir konnten während dieses Ereignissen drei Typen von Gammastrahlung hintereinander ausmachen: Zunächst registrierten wir einen sehr intensiven, äußerst kurzen Ausbruch, der fast mit dem Blitz zusammenfiel. Dann zeichneten wir ein rund eine halbe Sekunde langes "Nachleuchten" der Gammastrahlen auf - und schließlich zeitversetzt, 35 Sekunden nach dem Blitz den dritten Gammastrahlen-Typ", so Enoto.

Die drei Strahlenausbrüche spiegeln folgende Kaskade in der Gewitterwolke wider. Russische Hochenergiephysiker hatten sie vor rund zehn Jahren formuliert, doch bislang konnte sie weder im Labor nachgestellt noch in der Natur beobachtet werden. Hochenergetische Elektronen treffen auf Atmosphärenmoleküle, vor allem also Stickstoff. Aufgrund ihrer hohen Energie schlagen sie aus dem stabilen Stickstoffisotop N-14 ein Neutron heraus, so dass instabiler Stickstoff-13 entsteht. Bei dieser Reaktion wird Gammastrahlung freigesetzt, der erste sehr intensive Ausbruch. Das Neutron schwirrt durch die Atmosphäre und wird schließlich von einem anderen Atomkern eingefangen. Auch dabei entsteht Gammastrahlung, das "Nachleuchten". Der instabile N-13 ist derweil zu Kohlenstoff-13 zerfallen und hat dabei ein Neutrino und ein Positron freigesetzt. Positronen sind die Antimaterie-Äquivalente zu unseren Elektronen. Irgendwann trifft ein solches Positron auf ein Elektron und beide gehen in einem Energieausbruch zugrunde, dem dritten Gammastrahlen-Ereignis.

Den Anstoß für diese Reaktionskette liefern Elektronen, die in den Gewitterwolken bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und so die genügend hohe Energie aufweisen, um Neutronen aus Atomkernen zu vertreiben. "Es gibt inzwischen eine Reihe von Studien", sagt Teruaki Enoto, "die zeigen, dass Gewitterwolken wie Teilchenbeschleuniger wirken."

Jenseits des engen Kreises der Hochenergiephysiker und Blitzforscher hat der neu entdeckte Mechanismus möglicherweise deutliche Konsequenzen. Denn eines der Isotope, die bei den starken Gewittern entstehen, ist der radioaktive Kohlenstoff-14. Er wird von zahlreichen Disziplinen in der Altersdatierung eingesetzt. Grundlage der Methode ist die Annahme, dass Radiokarbon-Atome gleichmäßig in der gesamten Erdatmosphäre vorhanden sind. Das stimmt, so lange man voraussetzt, dass nur die Kosmische Strahlung das radioaktive Kohlenstoff-Isotop hervorbringen kann. Zwar gibt es Korrekturtabellen, die die wechselnde Intensität der Kosmischen Strahlung speichern, doch die Grundannahme bleibt: Überall sind die obersten Schichten der Erdatmosphäre im selben Maß dieser energiereichen Strahlung ausgesetzt.

Die Gewitter als zweite Quelle für C14 bringen Unsicherheit in dieses Konstrukt. "Gewitter könnten in manchen Regionen einen Anteil an der C14-Produktion besitzen, der etwa so hoch ist wie der der Kosmischen Strahlung", meint etwa Leonid Babych vom Allrussischen Forschungsinstitut für Experimentelle Physik in Nischni Nowgorod in einem begleitenden Artikel in "Nature". Teruaki Enoto schätzt dagegen, dass der Anteil der Gewitter nicht beträchtlich sein wird. "Aber das ist meine persönliche Ansicht, niemand weiß, was der Fall ist." Das kann getrost als Aufforderung zu genauerem Nachsehen gewertet werden.