Muonen geven ons een blik in onweerswolken

Onweerswolken staan bol van elektrische spanning. Maar hoe meet je die? Onderzoeksvliegtuigen en weerballonnen doen al erg hun best. Maar nieuw onderzoek maakt melding van een hulpmiddel op de grond, dat de deeltjes meet die vanuit de ruimte onze atmosfeer binnenkomen. Daar horen muonen bij. De studie laat zien hoe kosmische straling kan worden aangewend om de gigantische elektrische velden in onweersbuien bloot te leggen.

• Weerliefhebber? Volg ons via X en Facebook
• Volg de interessante weerberichten op YouTube
• Bekijk zelf de weerkaarten op onze site

De GRAPES-3, gelegen in Ooty, zuidelijk India, is een telescoop die muonen detecteert (bron). Over een oppervlakte van 560 vierkante meter registreert dit meettoestel dagelijks ongeveer vier miljard muonen. Het instrument werd oorspronkelijk gebouwd om kosmische straling te bestuderen. Maar onderzoekers ontdekten dat ze er óók mee in onweerswolken kunnen kijken. Er doemden ook nieuwe raadsels op.

Wat is kosmische straling?

Wat bedoelen we precies met kosmische straling? Kosmische straling bestaat uit zeer energierijke deeltjes die continu vanuit de ruimte naar de aarde toestromen. Omdat ze een elektrisch geladen zijn, worden ze door het magnetisch veld van de aarde ‘gestuurd’.

Wanneer deze deeltjes, voornamelijk protonen, onze atmosfeer binnendringen, botsen ze op de atomen waaruit de lucht bestaat. Bij die botsingen ontstaan nieuwe deeltjes zoals muonen. Deze laatste zijn geladen deeltjes die bijna met de lichtsnelheid bewegen en diep in de atmosfeer kunnen doordringen.

Hoe werkt een onweerswolk?

Maar eerst even wat basiskennis ophalen. Wat gebeurt er precies in een onweerswolk? Eerst stijgt warme, vochtige lucht heel snel de hoogte in. Hoger in de atmosfeer is het kouder. Waterdruppels bevriezen en er ontstaat een mengsel van kleine ijskristallen, waterdruppels en grotere ijsdeeltjes zoals hagel.

• Soorten ontladingen bij onweer.

Scheiding van ladingen

In zo’n onweerswolk botsen deze water- en ijsdeeltjes voortdurend tegen elkaar. Bij die botsingen treedt een uitwisseling op van elektrische ladingen. Kleine, lichte ijskristallen raken meestal positief geladen en worden door de opstijgende lucht naar boven gevoerd. Zwaardere ijsdeeltjes raken vooral negatief geladen en blijven lager in de wolk. Er treedt een zogenaamde ‘ladingsscheiding’ op.

• Verdiep je nog meer in de fysica achter het weer: wat is zwaar water? Of: de natuurkunde van sneeuw.

Door de scheiding van ladingen ontstaat een steeds sterker elektrisch veld. De onweerswolk staat als het ware onder hoogspanning. Wordt het verschil groot genoeg, dan kan de lucht de lading niet langer tegenhouden en vindt er een plotselinge elektrische ontlading plaats: bliksem.

Waarom in onweerswolken kijken?

Weten wanneer en hoe bliksem helpt wetenschappers onweersbuien en bliksem beter voorspellen. Dat is vooral van belang voor de luchtvaart en om de bliksembeveiliging van gebouwen, windmolens en elektriciteitsnetten te verbeteren. Ook helpt het om te verklaren waarom bliksem soms binnen een wolk blijft en soms naar de grond gaat.

• Waaruit bestaan wolken?

Tot nu toe meten onderzoekers de elektrische velden in en om onweerswolken onder meer met weerballonnen en speciaal uitgeruste vliegtuigen. Maar de muonentelescoop staat toe de spanningen nog beter te begrijpen.

Muonen vliegen door het spanningsveld van onweerswolken

Wat doen de muonen dan precies? Wanneer muonen door zo’n elektrisch geladen wolk stromen, worden ze beïnvloed door dat spanningsveld.

• De Balkan: het meest onweerrijke gebied van Europa.

Positieve en negatieve muonen gedragen zich tegengesteld. In het elektrische veld van de onweerswolk worden positieve muonen afgeremd en negatieve versneld. Als beide ladingen in precies gelijke hoeveelheden voorkwamen, zouden die effecten elkaar opheffen; althans in theorie. Maar dat is niet het geval. Er zijn meer positieve dan negatieve muonen.

Juist dat onevenwicht maakt het mogelijk om veranderingen in het totale aantal muonen aan de grond te meten. Daarmee kunnen onderzoekers vervolgens iets zeggen over de elektrische spanning hoog in de lucht.

1,3 miljard volt in een onweerswolk

Dat leverde eerder al een spectaculaire meting op. Met GRAPES-3 werd tijdens een onweersbui een potentiaal van ongeveer 1,3 gigavolt afgeleid: dat is 1,3 miljard volt. Dat zulke enorme spanningen in onweerswolken mogelijk zijn, werd al een eeuw geleden vermoed. Directe metingen met bijvoorbeeld weerballonnen kwamen echter niet verder dan ongeveer 130 miljoen volt.

Oost-west-effect. Waarom meer onweer in het ‘oosten’?

Maar bij nieuwe ontdekkingen horen ook nieuwe vragen. De metingen brachten namelijk iets vreemds aan het licht. Tussen april 2011 en december 2020 registreerde GRAPES-3 487 onweers-events via instromende muonen. Maar liefst 81,5 procent daarvan werd waargenomen aan de oostelijke kant van het waarnemingsveld van de detector. Slechts 13,7 procent verscheen aan de westkant.

• Meer over microbliksem in waterdruppels en de cruciale rol die die speelde.

Komen onweersbuien op die plek in India dan veel vaker vanuit het oosten? Onafhankelijke metingen lieten zien dat dit niet zo was.

De verklaring blijkt niet in het weer te liggen, maar in het magnetische veld van de aarde.

Aardmagnetisch veld

Kosmische straling bestaat grotendeels uit elektrisch geladen deeltjes en wordt daardoor afgebogen door het aardmagnetisch veld. De richting waaruit een deeltje komt, bepaalt mede hoeveel energie het nodig heeft om de aarde te kunnen bereiken. Dit zogeheten oost-westeffect is al bijna een eeuw bekend.

Computersimulaties van de onderzoekers laten zien dat dit effect bepaalt hoeveel positieve en negatieve muonen GRAPES-3 vanuit verschillende richtingen waarneemt. In het oosten worden meer positieve muonen gedetecteerd. Daardoor is de telescoop simpelweg gevoeliger voor de elektrische invloed van onweerswolken in het oosten hoewel de onweersbuien aan beide kanten evenveel voorkomen.

Muonen om onweersbuien te onderzoeken

Dat inzicht is belangrijk als muonen vaker gebruikt gaan worden om onweersbuien te onderzoeken. Tot nu toe is het rechtstreeks meten van elektrische spanningen in een actieve onweerswolk een moeilijke opgave. Weerballonnen en vliegtuigen kunnen maar een beperkt deel van een grote en snel veranderende onweersbui bemonsteren.

• Wat is aircraft induced lightning?

Muonen hebben dat probleem niet en ze kunnen vanaf de grond bestudeerd worden. Ze zijn altijd in de atmosfeer aanwezig, trekken door onweerswolken heen en bereiken massaal het aardoppervlak, waar ze gemeten kunnen worden.