Lichtflitsen hoog in de lucht onthullen geheimen van onweer

Je kent het geluid van onweer wel: een felle flits, gevolgd door een donderslag. Maar wat je niet ziet, gebeurt hoog boven de wolken. Op zo'n 90 kilometer hoogte, in een laag van de atmosfeer die we de ionosfeer noemen (het deel van de lucht waar deeltjes elektrisch geladen zijn), ontstaat soms een kortstondige gloed. Die gloed heet een 'elve' en duurt korter dan een duizendste seconde.

Wetenschappers hebben nu een nieuwe manier bedacht om deze elves te gebruiken als informatiebron over onweer. Het bijzondere: hoe feller en hoe krachtiger de bliksem beneden, hoe meer details je over die bliksem kunt aflezen uit de lichtring die daarboven verschijnt.

Een uitdijende ring van licht

Een elve ziet eruit als een ring die razendsnel groter wordt, tot een doorsnee van honderden kilometers of zelfs meer dan duizend kilometer. De positie van die ring, de snelheid waarmee hij uitdijt, en hoe het licht verdeeld is over de ring: dat alles bevat informatie over de bliksem die de ring veroorzaakte. Denk aan waar de ontlading precies zat, in welke richting hij liep, en hoe sterk de stroom was.

Om deze lichtflitsen goed te kunnen bekijken, gebruiken onderzoekers speciale camera's aan boord van satellieten, zoals de instrumenten TUS en Mini-EUSO. Die camera's kunnen met een microseconde nauwkeurigheid (een miljoenste seconde) vastleggen hoe de gloed zich in de tijd ontwikkelt.

Het probleem: van beeld naar bliksem

Terugrekenen van zo'n satellietbeeld naar de precieze eigenschappen van de bliksem eronder, is lastig. Het signaal wordt namelijk beïnvloed door meerdere tussenstappen: hoe de elektromagnetische puls van de bliksem inwerkt op de ionosfeer, en hoe het meetinstrument zelf het licht registreert en soms vervormt.

Om met al die onzekerheden om te gaan, gebruikte het onderzoeksteam een wiskundige aanpak die 'Bayesiaans' heet. Simpel gezegd: in plaats van één exacte uitkomst te berekenen, schat deze methode een reeks waarschijnlijke uitkomsten in, inclusief hoe zeker of onzeker die schattingen zijn. Vervolgens gebruikten ze een techniek genaamd 'simulatie-gebaseerde inferentie'. Daarbij laat een computermodel duizenden mogelijke bliksemscenario's zien, en vergelijkt het welke het beste passen bij wat de satelliet daadwerkelijk heeft waargenomen.

Het resultaat is een model dat op twee manieren werkt. Het kan voorspellen hoe een elve eruitziet bij een bepaald type bliksem, en het kan omgekeerd, vanuit een waargenomen elve, de eigenschappen van de onderliggende bliksem reconstrueren. De onderzoekers noemen deze nieuwe onderzoeksmethode 'elveslocation'.

Bron: Elveslocation: A new approach for studying thunderstorm atmosphere