Japanische Wissenschaftler liefern Beweis: Blitze erzeugen radioaktive Strahlung

Japanische Wissenschaftler liefern Beweis: Blitze erzeugen radioaktive Strahlung
Laut den japanischen Forschern sind Blitze "natürliche Teilchenbeschleuniger".
Japanische Forschern ist es gelungen, eine bis dahin unbewiesene These zu belegen: Gewitter lösen Kernreaktionen in der Atmosphäre aus. Das könnte vor allem ein Problem für Archäologen sein, die Fossilien mit Isotopen datieren.

Schon 1925 spekulierte der schottische Physiker Charles Wilson, dass Blitze in der Atmosphäre radioaktive Isotope erzeugen können. Diese These haben japanische Wissenschaftler nun bestätigt. Blitze erzeugen über Kernreaktionen radioaktive Isotope in der Atmosphäre. Der Beweis gelang einem Forscherteam der Universität Kyoto. Dazu nutzen die Forscher vier Detektoren für Gammastrahlung und beobachtete bei einem Gewitter unmittelbar nach Blitzen eine durch die paarweise Vernichtung von Elektronen und Positronen entstehende radioaktive Strahlung.

Die Positronen entstehen aus dem Zerfall radioaktiver Isotope, die sich wiederum durch Kernreaktionen nach einem Blitz bilden. Gewitter sind somit eine bedeutende Quelle von Isotopen, die für die archäologische Altersbestimmung verwendet werden, schreiben die Wissenschaftler im Wissenschaft-Magazin „Nature.

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Teruaki Enoto von der Universität Kyoto und seine Kollegen erläutern das Phänomen folgendermaßen: "Blitze sind natürliche Teilchenbeschleuniger", so die Wissebschaftler. Sie lösen ganze Kaskaden von hochenergetischen Elektronen aus, die bei ihrer Abbremsung wie in einem Synchrotron Gammastrahlung aussenden.

Die Energie dieser Gammastrahlung ist hoch genug, um nukleare Reaktionen in der Atmosphäre auszulösen.

Diese Theorie hatte bereits 1925 der schottische Physiker Charles Wilson veröffentlicht. Bisherige Versuche, diese Reaktionen zu beobachten, waren jedoch erfolglos oder erlaubten keine Unterscheidung zwischen Reaktionen durch Blitze oder durch die kosmische Höhenstrahlung.

Die von Blitzen produzierte Gammastrahlung kann insbesondere ein Neutron aus dem stabilen Isotop Stickstoff-14 herauslösen. Das so entstehende Isotop Stickstoff-13 ist extrem instabil und zerfällt sofort unter Freisetzung eines Positrons in das stabilere Kohlenstoff-13. Die bisherige Forschung hatte sich auf den Nachweis der bei der ersten Reaktion erzeugten Neutronen konzentriert. 

Das japanische Forscherteam hatte jedoch eine andere Idee: Sie beobachteten bei einem Gewitter am 6. Februar in Japan ausschließlich die Gammastrahlung. Nach jedem Blitz registrierten die Wissenschaftler zunächst einen weniger als eine Millisekunde dauernden Ausbruch hochenergetischer Gammastrahlung. Doch daran schloss sich ein etwa eine Minute dauerndes Aufleuchten bei einer Energie von 511 Kiloelektronenvolt an – das ist genau die Energie von Gammaquanten, die bei der Paarvernichtung von Elektronen und Positronen entstehen.

Bei dem kurzzeitigen Gammaausbruch handelt es sich um die Bremsstrahlung der vom Blitz erzeugten Elektronen-Kaskade. Die Paarvernichtungsstrahlung hingegen zeigt den Zerfall der sekundär durch die Gammastrahlung erzeugten radioaktiven Isotope. Weitere Untersuchungen müssten nun zeigen, so die Forscher, welche Isotope bei Gewittern genau entstehen können. 

Vor allem für Archäologen ist es eine bedeutende Angelegenheit. Bislang gehen sie bei der Altersbestimmung über den Zerfall radioaktiver Isotope davon aus, dass diese ausschließlich durch die kosmische Höhenstrahlung entstehen. Doch in einigen Regionen könnte beispielsweise die Produktion von Kohlenstoff-14 durch Gewitter von der gleichen Größenordnung sein wie jene durch die kosmische Strahlung. Das würde die Altersbestimmung entsprechend verfälschen. Müssen demnächst viele Fossilien umdatiert werden?