Bliksem — Het ontzagwekkende geweld van de hemel!

SCHENK, als u wilt, eens een ogenblik aandacht aan een van de ontzagwekkendste uitingen van ongebreidelde energie ter wereld — de bliksem! De meeste mensen hebben wel eens ergens een onweer meegemaakt, compleet met alle beangstigende verschijnselen die het vergezellen: stortregens, verblindende bliksemschichten, krakende donderslagen en het angstige wachten op de volgende slag.

Zou u graag iets meer willen vernemen over de oorzaken van dit mysterieuze elektrische verschijnsel in de lucht? Wat is er tijdens een onweer gaande, dat er zulke ontzaginboezemende krachten vrijkomen? Aangezien de bliksem een elektrisch verschijnsel in de atmosfeer is, willen we eerst wat nader ingaan op de elektrische eigenschappen van de atmosfeer ten einde beter te begrijpen hoe bliksem ontstaat.

Een elektrische atmosfeer

We zijn ons er gewoonlijk niet van bewust, maar in de atmosfeer waarin we leven, heerst een sterk elektrisch veld. De elektrische spanning in de atmosfeer is werkelijk verbazingwekkend hoog. Bij helder weer neemt ze vanaf de grond toe met ongeveer 150 volt per meter. De spanning in de lucht is positief ten opzichte van de grond, en hoe groter de hoogte, hoe groter het spanningsverschil.

Dit betekent dat wanneer u in het open veld staat, ver weg van bomen en gebouwen, tussen de grond en de lucht bij uw hoofd een spanningsverschil kan bestaan van 250 volt. Waarom voelen we daar echter niets van? Bij voldoende stroomsterkte is zo’n hoog voltage genoeg om iemand te doden, maar wij hebben van die spanning in de lucht geen greintje hinder. De oorzaak hiervan is gelegen in het feit dat lucht een bijzonder goede isolator is. En onze huid is voldoende geleidend om over ons gehele lichaam een gelijke spanning te handhaven. Slechts met heel gevoelige instrumenten, die zorgvuldig geïsoleerd en afgeschermd zijn van andere voorwerpen die een elektrische lading kunnen dragen, kan de atmosferische spanning worden gemeten.

Als de spanning in bovengenoemde mate zou blijven toenemen, zou ze op 100 meter al 15.000 volt bedragen. Er is echter een grens aan dit spanningsverschil vanwege de omstandigheid dat de lucht op grote hoogten — boven de stratosfeer — geleidend wordt. Waaraan is het echter toe te schrijven dat lucht op grondhoogte zo’n goede isolator is, maar boven de stratosfeer een geleider wordt? Het antwoord hierop is gelegen in het verschijnsel van de ionisatie.

De luchtmoleculen — of het nu stikstof- of zuurstofmoleculen betreft — zijn gewoonlijk elektrisch neutraal. Dat wil zeggen, de positieve lading van elke atoomkern is precies in evenwicht met de negatieve ladingen van de elektronen rond de kern. Maar als een van de elektronen uit zijn baan wordt gestoten, laat hij een molecuul achter met een positieve lading. We zeggen dan dat de molecuul is geïoniseerd, of kortweg, het is een ion.

Deze ionisatie kan door diverse oorzaken plaatsvinden. Maar in de heldere, lagere delen van de dampkring, geschiedt ze voornamelijk door het binnendringen van kosmische stralen uit de buitenaardse ruimte. Deeltjes met hoge energie treffen de luchtmoleculen met zo’n geweld dat de elektronen eruit worden losgeslagen en er positieve ionen overblijven. De hierdoor ontstane vrije elektronen kunnen zich aan andere moleculen hechten, zodat negatieve ionen ontstaan. Op hoogten van om en nabij de vijftig kilometer worden genoeg ionen geproduceerd om de lucht tot een goede geleider te maken.

Wij noemen deze geleidende luchtlaag in de atmosfeer de elektrosfeer. Soms heeft men deze laag wel gerekend tot de ionosfeer, maar deze laatste naam is van toepassing op hogere lagen, zo’n honderd kilometer boven het aardoppervlak, die radiogolven terugkaatsen.

De bodem is ook een goede geleider; hierin geschiedt het transport van elektrische lading door middel van ionen die zich in grondwater bevinden. Elk mineraal dat zich in opgeloste toestand in water bevindt, is gesplitst in ionen. Zo geeft gewoon keukenzout in oplossing positieve natrium- en negatieve chloorionen. Gips geeft ionen van kalk en sulfaat. Al het grondwater bevat een meer of minder grote hoeveelheid opgeloste mineralen; en vocht is altijd aanwezig, zelfs in betrekkelijk droge aarde. Dus hoewel een kleine hoeveelheid aarde wellicht weinig stroom zal voeren, is de aardkorst zo omvangrijk, dat hij zich in zijn geheel genomen als een uitstekende geleider gedraagt.

Alle delen van een goede geleider bezitten wanneer er evenwicht is ingetreden, een gelijke spanning. Als er iets gebeurt waardoor op één punt de spanning omhooggaat, zal er vandaar een stroom vloeien naar punten met een lagere spanning totdat de spanning weer overal gelijk is. Dit geldt met betrekking tot de aarde en eveneens met betrekking tot de elektrosfeer. De lagere atmosfeer is echter een goede isolator die deze beide geleiders, de aarde en de elektrosfeer, scheidt en daardoor een groot spanningsverschil tussen beide mogelijk maakt. Het geheel vormt aldus een reusachtige condensator, waarbij de aarde negatief en de elektrosfeer positief geladen is. Het spanningsverval in de dampkring ligt om en nabij de 300.000 volt, maar kan van maand tot maand en zelfs van uur tot uur aanzienlijk van dit gemiddelde afwijken.

Volkomen isolatoren bestaan er niet. Met gevoelige instrumenten kan men dan ook zelfs in de lagere delen van de dampkring een heel geringe stroom aantonen. Deze lagere delen zijn door de werking van de weinige kosmische stralen die nog tot de grond doordringen, enigszins geleidend, en doordat de aarde een overschot aan elektronen bezit, zijn er constant stroompjes die van tal van punten van het aardoppervlak weglekken. Zulke spitsontladingen vinden plaats aan de uiteinden van boombladeren, grassprietjes, en zelfs aan scherpe hoekjes van zandkorrels. Menselijke bouwwerken, die zich hoger in de lucht verheffen, drukken het elektrische veld rond hun hoeken en dakpunten samen en ook op zulke punten zijn ontladingen van elektronen geconcentreerd. Over de gehele aarde genomen vormen deze kleine lekstromen zo’n grote stroom naar de elektrosfeer dat ze de totale aarde in minder dan een uur zouden kunnen ontladen. Er moet dan ook, omgekeerd, een bepaald opladingsmechanisme bestaan dat de aarde voortdurend van een overschot aan elektronen voorziet. En daarmee zijn we aangeland bij de bliksem.

Het onweer als generator

Er zijn aan de hemel vele typen wolken te zien. De meeste zijn min of meer plat en horizontaal. Onze meeste bewondering oogsten echter de prachtige witte cumuluswolken, die als grote bloemkolen hoog in de blauwe lucht optorenen. Onder geschikte weersomstandigheden blijft een grote cumulus tot duizenden meters hoogte oprijzen, in de richting van de stratosfeer, terwijl hij ondertussen een steeds bredere basis ontwikkelt. Zo groeit deze wolk uiteindelijk uit tot een cumulonimbus of „donderkop”, waarvan de bovenkant, nadat hij volledig is ontwikkeld, verwaait tot een wolkenpluim met het bekende aambeeld-achtige uiterlijk. Op een afstand is hij dan nog steeds prachtig, maar voor iemand ter plaatse is de wolk boven zijn hoofd nu een dreigende, donkere massa, waaruit niet lang daarna plenzende regen en soms ook hagelbuien zullen neerdalen.

Dit is de soort van wolk die bliksem en donder opwekt en in de lucht werkzaam is als een gigantische elektrische generator. Hij is nu acht tot achttien kilometer hoog en beslaat een oppervlak van wel 3000 vierkante kilometer. In het wolkenlichaam heersen krachtige op- en neerwaartse luchtstromingen die waterdruppels en ijskristallen meevoeren met snelheden van veertig tot honderd kilometer per uur. Ontelbare regen-, ijs-, sneeuw- en hageldeeltjes worden omhoog- en omlaaggezogen, terwijl de wolk wentelt en draait, opzwelt en inkrimpt.

Natuurlijk blijft de zwaartekracht de water- en ijsdeeltjes naar beneden trekken, en op de een of andere wijze worden bij de wrijving die aldus ontstaat, de elektronen en ionen op de scheidingsvlakken van lucht, water en ijs, van elkaar getrokken. Daarna scheiden de harde winden de ladingen verder, waarbij de positieve ladingen naar de top van de wolk worden getransporteerd en de negatieve ladingen met de regendruppels mee naar de onderzijde van de wolk worden gevoerd. Het spanningsverschil tussen boven- en onderkant van de wolk blijft zodoende tijdens de ontwikkeling van de wolk steeds groter worden. En ten slotte barst de elektrische spanning met een geweldige ontlading „uit haar voegen”. In heftige beroering zoekt de wolk naar een manier om de honderden miljoenen volts kwijt te raken die hij in zijn binnenste heeft opgeladen. De weerstand van de lucht kan slechts een zekere mate van elektrische spanning weerstaan. Ten slotte slaat de luchtweerstand door en met een verblindende lichtflits vindt een ontlading plaats.

Men schat dat er op elk moment over de gehele aarde 3000 onweersbuien aan de gang zijn, waarvan de meeste boven land plaatsvinden.

Het grootste deel van de ontladingen geschiedt in de wolk zelf, maar doordat de negatieve lading aan de onderzijde van de wolk veel sterker is dan de normale negatieve lading van de aarde, flitsen er ook bliksemschichten naar de grond, zodat er tevens elektronen naar de aarde worden gevoerd. Ten slotte valt de wolk uiteen en de overgebleven positieve lading vindt zijn weg naar de elektrosfeer. Bij mooi weer lekken deze positieve ionen via de atmosfeer naar de aarde om de negatieve lading ervan te neutraliseren, en negatieve ionen stijgen op naar de elektrosfeer om daar de lading te neutraliseren. Aldus wordt de kringloop voltooid.

Hoe zich een bliksemschicht vormt

Het is moeilijk om bliksemontladingen in een wolk te bestuderen. Voor een geleerde met zijn gevoelige instrumenten is het daar nu eenmaal niet zo’n erg plezierige omgeving. Vanaf de grond kan men het bliksemverschijnsel echter waarnemen en fotograferen met ultra-snelle camera’s, en dank zij dit hulpmiddel zijn geleerden veel te weten gekomen over de stapsgewijze opbouw van een bliksem. Hier volgt het beeld dat men heeft verkregen.

Door laboratoriumonderzoekingen omtrent de elektrische doorslagspanning van lucht, is men aan de weet gekomen dat een bliksem begint wanneer het elektrische veld een sterkte heeft bereikt van ongeveer drie miljoen volt per meter. Bij die sterkte van het elektrische veld wordt er aan de enkele elektronen die altijd wel door kosmische straling zijn losgeslagen, zo hard „getrokken” dat ze andere elektronen uit neutrale moleculen slaan. Die raken op hun beurt ook versneld, botsen weer tegen nieuwe moleculen en brengen een verdere ionisatie teweeg. Zo ontstaat er een ware waterval van elektronen die zich van de negatieve lading in de wolk verwijdert en een spoor van positieve ionen achterlaat. Dit verzwakt de weerstand van de lucht en baant door de isolerende luchtdeken een weg voor de zich ontwikkelende bliksem.

Camera’s die zijn ontworpen om het gehele proces in stappen van één miljoenste seconde (microseconde) vast te leggen, tonen dat dit een trapsgewijs gebeuren is. Een zogenaamd „leiderkanaal” breekt uit de wolk op een plek waar de lucht een moment zwakker in weerstand is, en de elektronen-waterval baant zich een weg van zo’n vijftig meter. Dan is deze waterval, als het ware, een moment „buiten adem”, en is er een moment pauze waarin de spanning aan de top weer aangroeit. Na zo’n vijftig microseconden breekt het kanaal weer verder door de lucht heen, misschien in een andere richting, afhankelijk van de plaatselijke weerstand van de geïoniseerde lucht. Aldus baant het „leiderkanaal” stap voor stap een pad van sterk geïoniseerde lucht één tot tien meter breed — naar de aarde.

Aangezien de lucht op sommige plaatsen meer en op andere plekken minder is geïoniseerd, slingert het leiderkanaal heen en weer in de richting van elke gunstige variatie. Dat is ook de oorzaak van het bekende vertakte uiterlijk van de bliksem; diverse richtingen worden uitgeprobeerd, tot de gemakkelijkste weg naar de aarde is gevonden. Wanneer het kanaal minder dan vijftig meter van zijn doel af is, reikt een positieve ’stromer’ van een gunstig punt op het aardoppervlak opwaarts naar het leiderkanaal. Nu is de verbinding gesloten! De wolk heeft een leiding via welke hij zich van zijn ondraaglijke last van overtollige elektronen kan ontdoen. Dan vindt de ’echte’ bliksemontlading, de hoofdontlading, plaats.

Eerst stromen de elektronen die zich in het kanaal het dichtst bij de grond bevinden, naar de aarde toe, onmiddellijk gevolgd door de exemplaren die daarboven „staan te dringen”, enzovoort. Zo plant de nu helder opgloeiende hoofdontlading zich voort naar de wolk — langs de weg die het leiderkanaal heeft gebaand — met een snelheid die die van het licht benadert. Terwijl het leiderkanaal er misschien 20.000 microseconden over heeft gedaan om de grond te bereiken, zal de hoofdontlading de afstand in nauwelijks 70 microseconden overbruggen. Gedurende misschien veertig microseconden stroomt er van de wolk naar de aarde een negatieve stroom van 10.000 tot 20.000 ampère of meer, hetgeen een vermogen vertegenwoordigt van miljarden kilowatts — meer vermogen dan alle elektrische centrales ter wereld bij elkaar. Werkelijk een ontzaginboezemend verschijnsel!

De ontlading sterft snel weg, maar dat is nauwelijks het einde van de activiteit. Het pad van de bliksem blijft zwaar geïoniseerd. Vanuit andere hoog geladen delen van de wolk schieten elektronen naar het ontladingsgebied en dan via het nog open kanaal naar de aarde. Zo zijn er gewoonlijk drie of vier opeenvolgende ontladingen, die alle als een flits worden gezien. Soms zijn er meer dan een tiental ontladingen nodig om een wolk van zijn lading te ontdoen.

In slechts een vijfde van een seconde heeft de bliksemontlading haar werk voltooid. Het kabaal dat nu nog rest, heeft weinig te betekenen. U hoort misschien een slag, een roffel of een gerommel, afhankelijk van de afstand waarop u zich van de ontlading bevindt. In de baan van de ontlading is een smalle, kronkelige luchtcilinder van slechts een paar centimeter dik verhit tot meer dan 30.000° Celsius. Zodra de stroom is uitgedoofd, zet deze superhete gaskolom zich uit met een snelheid groter dan die van het geluid. En de schokgolf van deze expansie is de oorzaak van de donder, die tot op soms wel vijfentwintig kilometer afstand hoorbaar is.

U zult zich misschien afvragen waarom de Schepper het passend oordeelde wolken van dit elektrische vermogen te voorzien. Heeft het enig nut? Zeker, heel veel. Bliksemontladingen spelen een sleutelrol in de stikstofkringloop van de natuur. Stikstof is onontbeerlijk voor het leven, en is in overvloed aanwezig in de atmosfeer. De levende natuur kan deze stikstof echter niet rechtstreeks uit de dampkring betrekken. En hierin schiet de bliksemontlading te hulp; met haar intense hitte zorgt ze ervoor dat de stikstof- en zuurstofmoleculen in de atmosfeer zich tot atomen splitsen, waarvan vele zich bij afkoeling tot stikstofoxyden verenigen. Die oxyden zijn oplosbaar in regenwater en worden aldus meegevoerd naar de bodem, waar ze verder worden omgezet in nitraten, die een belangrijke meststof zijn voor groeiende planten. Wat hierboven is beschreven vormt een belangrijk proces van natuurlijke stikstofbinding. Men schat dat onweersbuien zo jaarlijks in honderden miljoenen tonnen nitraten voorzien.

Met bliksem leven

Onweer is een fascinerend maar tegelijk beangstigend gebeuren, waarbij grote, vernietigende krachten vrijkomen. Bliksemschichten hebben bomen en telefoonpalen versplinterd, gaten in muren en daken geslagen, en al vele bos- en stadsbranden veroorzaakt. Vaak is de elektrische stroom in een getroffen boom zo sterk dat alle vocht in het hout ogenblikkelijk verdampt en de oververhitte stoom de boom letterlijk aan stukken blaast.

De bliksem kan ook dodelijk zijn. Dieren die tijdens een onweer onder bomen schuilen, worden vaak geëlektrokuteerd wanneer een bliksem de boom treft. Mensen ondergaan soms hetzelfde lot, vooral wanneer ze zich aan stranden of op golfvelden bevinden. Eenzame bomen zijn op zulke open terreinen vaak het doelwit van een bliksemschicht. Wordt u door een onweer overvallen, zoek dan geen schuilplaats onder een alleenstaande boom en blijf in bossen uit de buurt van hoge bomen. Vermijd ook metalen omheiningen, pijpleidingen en spoorrails. In een dal bent u veiliger dan op een heuveltop.

Leeft u in een streek waar onweer dikwijls voorkomt, dan is het verstandig uw huis met bliksemafleiders te beschermen: deze moeten echter goed geaard zijn, dat wil zeggen, met zware draden (geïsoleerd bevestigd aan het gebouw) verbonden aan een goed ingegraven metalen kabel of plaat. Dan zullen ze de bliksem zonder schade naar de grond leiden. Televisie-antennes en elektrische leidingen die het huis ingaan, kunnen ook met bliksemafleiders (zogenaamde overspanningsafleiders) beschermd worden.

Bevindt u zich tijdens een onweer in een auto of trein, dan hebt u niets te vrezen. Het metalen omhulsel van de auto verdeelt de elektrische stroom en leidt die naar de grond. Zo zijn ook de inzittenden van een vliegtuig volkomen beveiligd tegen bliksem. Vliegtuigen worden dikwijls getroffen en vertonen als gevolg daarvan soms kleine gaatjes in hun metalen huid, maar nog nooit is het voorgekomen dat een luchtongeval rechtstreeks aan een bliksemontlading te wijten is geweest. Natuurlijk zullen piloten een onweersbui het liefst zoveel mogelijk vermijden vanwege de heftige luchtwoelingen die erin voorkomen, maar niet vanwege het elektrische gevaar.

Na het nemen van bovengenoemde voorzorgsmaatregelen, kunt u de volgende maal dat een onweersbui boven uw hoofd losbarst, ontspannen van dit magnifieke hemelgeweld — een weerspiegeling van de macht van de Schepper — genieten. En wanneer u enigszins met de werking ervan op de hoogte bent, zal dat uw waardering voor dit ontzagwekkende hemelgebeuren nog meer doen toenemen.

[Tabel op blz. 20]

Een „gewone” bliksemontlading

lengte 5 kilometer

aantal ontladingen 3 à 4

grootste stroomsterkte 20.000 ampère

spanning 100.000.000 volt

grootste vermogen 2.000.000.000 kilowatt

duur 1/5 seconde

[Diagram op blz. 17]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

ELEKTRISCHE KRINGLOOP AARDE-ATMOSFEER

KRINGLOOP ELEKTRONEN

STERK POSITIEF (TEKORT AAN ELEKTRONEN)

STERK NEGATIEF (OVERSCHOT AAN ELEKTRONEN)

BLIKSEM

MOOI-WEERSTROOM VAN IONEN

IN GERINGE MATE POSITIEF (ELEKTRONEN WEGGEDREVEN DOOR NEGATIEVE LADING WOLK)

IN GERINGE MATE NEGATIEF (OVERSCHOT AAN ELEKTRONEN)