Mysteriöser Lichtsturm über Wäldern erstmals aufgezeichnet

Unsichtbares Lichtspektakel über den Baumkronen

Während eines gewöhnlichen Gewitters ereignet sich über den Wipfeln etwas absolut Faszinierendes, das vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann. Forschern ist es nun endlich gelungen, dieses Phänomen zu dokumentieren.

Ein amerikanisches Wissenschaftsteam vermutete jahrelang, dass Gewitter den Wald in eine für uns unsichtbare Lichtshow verwandeln. Um diese Theorie zu überprüfen, bauten sie einen alten Toyota zu einem fahrenden Labor um und machten sich auf die Jagd nach Gewittern. Schließlich konnten sie ein Phänomen aufzeichnen, über das bisher nur spekuliert wurde.

Leuchtender „Vorhang“ über Bäumen, den niemand sieht

Wissenschaftler der Pennsylvania State University beschäftigen sich seit Jahren mit dem Einfluss elektrischer Felder auf Pflanzen. In ihren Hypothesen tauchte wiederholt das Motiv eines geheimnisvollen Leuchtens über dem Wald während Gewittern auf, doch es fehlten konkrete Beweise aus dem Feld. Alles änderte sich, als sie beschlossen, auf nächtliche Gewitterjagd zu gehen.

Unter Laborbedingungen hatten Forscher bereits früher beobachtet, dass junge Bäume, die an spezielle Generatoren angeschlossen waren, ein zartes bläuliches Leuchten im ultravioletten Spektrum aussenden. Dies ist eine Folge extrem hoher Spannung und Ionisierung der Luft in der Umgebung der Blätter. Das Problem besteht darin, dass diese Strahlung für das menschliche Auge völlig unsichtbar ist.

Bei natürlichen Gewittern senden die Baumkronen kurze ultraviolette Blitze aus, die den Wald buchstäblich „beleuchten“, jedoch in einem Spektrum, das der Mensch nicht wahrnehmen kann.

Um dieses Geheimnis zu lüften, mussten die Forscher spezialisierte Kameras verwenden, die ultraviolette Strahlung erfassen, äußerst empfindliche Lichtdetektoren und tragbare meteorologische Instrumente. Die gesamte Ausrüstung platzierten sie auf dem Dach eines ausgemusterten Toyota Sienna, der zur Basis für die Gewitterjagd von North Carolina bis Pennsylvania wurde.

Was genau mit Bäumen während eines Gewitters geschieht

Wenn sich ein Gewitter nähert, blicken die meisten von uns nach oben und halten Ausschau nach hellen Blitzen, die den Himmel durchschneiden. Währenddessen sorgen hohe Luftfeuchtigkeit, intensive elektrische Felder und enorme Spannung zwischen Wolken und Erde dafür, dass Bäume wie riesige lebende Leiter zu funktionieren beginnen.

Gewitterwolken wirken in diesem Moment wie eine gigantische Batterie. Auf sehr hohe Spannung aufgeladen, senden sie ein elektrisches Feld in Richtung Erde. Der wassergetränkte Stamm leitet diese Ladung nach oben. Die Spannung „steigt“ allmählich den Baum hinauf, bis sie die feinen Strukturen der Blätter erreicht.

Sobald die Spannung die Kronen erreicht, entstehen an den Rändern der Blätter winzige Entladungen – die sogenannte Koronaentladung. Es handelt sich um eine Serie ultrakurzer Blitze im ultravioletten Spektrum, die von Blatt zu Blatt überspringen.

Für UV-Kameras erscheint der Wald in einem solchen Moment wie eine pulsierende, flackernde Schicht aus bläulichem Leuchten, die über der Oberfläche der Kronen schwebt. Jeder einzelne Blitz dauert Sekundenbruchteile und sendet Milliarden von Photonen in die Dunkelheit. Unsere Augen können nicht nur einen so schnellen Impuls nicht erfassen, sondern sind überhaupt nicht empfindlich für diese Wellenlänge.

Globaler „elektrischer Kreislauf“ der Erde

Diesen Lichtsturm in den Baumkronen muss man in einen breiteren Kontext einordnen. Die Erde ist nämlich von etwas wie einem gigantischen elektrischen Kreislauf umgeben. Unten haben wir die Planetenoberfläche, darüber die Ionosphäre – eine elektrisch geladene Schicht der Atmosphäre, die Dutzende Kilometer über unseren Köpfen beginnt.

• Spannungsunterschied: Zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche wird eine enorme Spannung in der Größenordnung von Hunderttausenden Volt aufrechterhalten
• Gewitter-„Aufladung“: Blitze, ob zur Erde oder nach oben gerichtet, laden dieses System ständig auf
• Negative Erdladung: Wenn ein Blitz in die Erde einschlägt, überträgt er negative Ladungen auf die Planetenoberfläche
• Ruhiges Wetter: Bei schönem Wetter fließt positive Ladung langsam von der Ionosphäre nach unten durch geladene Luftpartikel

Bäume sind Teil dieses Systems. Ihre Höhe, feuchte Gewebe und verzweigte Krone sorgen dafür, dass sie aktiv am Transfer von Ladungen zwischen Erde und Atmosphäre beteiligt sind. Ein Nebeneffekt ist genau diese Koronaentladung im ultravioletten Spektrum.

Wie die Gewitter-Expedition im umgebauten Toyota ablief

Das Forschungsteam beschloss, das Labor zu verlassen und Gewitter direkt im Gelände zu „jagen“. Der alte Toyota Sienna wurde ausgestattet mit:

• Einem Mast mit miniaturisierter Wetterstation, die Windrichtung und -stärke, Feuchtigkeit sowie Intensität elektrischer Felder misst
• Lasern zur präzisen Einstellung von Schärfe und Entfernung zu den Baumkronen
• Einer Kamera zur Aufzeichnung ultravioletter Strahlung und sehr schneller Lichtblitze
• Stromversorgung und Datenaufzeichnungssystem, das gegen Vibrationen und Temperaturschwankungen resistent ist

Die Expedition selbst war logistisch nicht einfach. Die Forscher mussten Gewittervorhersagen beobachten, nachts in Richtung atmosphärischer Fronten fahren und Orte suchen, wo hohe Bäume direkt an der Straße wachsen. Als sich das Gewitter ausreichend näherte, hielten sie das Fahrzeug an und starteten die Aufzeichnung.

Auf den Bildschirmen erschien genau das, worauf sie gehofft hatten: winzige, schnelle Blitze, die über die Blätter sprangen. Das Licht bewegte sich kaskadenförmig wie ein Miniaturblitz, der über die Oberfläche der Krone gleitet. Ohne ein Gerät, das ultraviolette Strahlung erfasst, würde das menschliche Auge nur die dunkle Silhouette von Bäumen vor einem von gewöhnlichen Blitzen beleuchteten Himmel sehen.

Die Waldlandschaft, die für Menschen eine schwarze Wand bleibt, verwandelt sich für die UV-Kamera in eine hypnotisierende, flackernde Fläche heller Punkte.

Das unsichtbare Schauspiel hat seinen Preis für Bäume

Obwohl die Lichtkorona eindrucksvoll aussieht, ist sie für die Pflanzen selbst keineswegs neutral. Der Fluss elektrischer Ladungen und lokale Entladungen an den Blatträndern beeinflussen die Chemie der Luft direkt über den Kronen. In der Nähe der Blätter entstehen reaktive Partikel, die die Zusammensetzung der Gase einschließlich Stickoxide und Ozon verändern können.

Langfristige Einwirkung dieser Impulse kann auch Gewebe in den höchsten Bereichen der Bäume schwächen. Wissenschaftler vermuten, dass ein Teil der Schäden, die an den höchsten Ästen beobachtet werden – oft nur starken Windböen zugeschrieben – tatsächlich mit wiederholten Koronaentladungen zusammenhängen könnte.

In Klimaprognosen erscheint noch ein weiterer Aspekt: Mit steigenden Temperaturen nehmen heftige Gewitter zu. Das bedeutet, dass Wälder in vielen Teilen der Welt häufiger der Einwirkung intensiver elektrischer Felder und Serien dieser Mikroentladungen ausgesetzt sein werden.

Was das für Natur und Menschen bedeutet

Die in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichte Forschung ist nicht nur eine Kuriosität über das „geheimnisvolle Leuchten“ von Bäumen. Sie zeigt, dass Gewitter das Ökosystem auf eine viel subtilere Weise beeinflussen als ein einzelner Blitzschlag in einen Stamm.

Eine Reihe atmosphärischer Prozesse – von der Ozonbildung bis zur Entstehung von Aerosolen – hängt von Reaktionen ab, die in der dünnen Luftschicht direkt über der Waldoberfläche ablaufen. Serien von Mikroentladungen können die lokale Chemie verändern und dadurch indirekt die Luftqualität sowie die Art und Weise beeinflussen, wie Pflanzen Gase mit der Umgebung austauschen.

Aus menschlicher Perspektive kommt auch die Frage der Infrastruktur ins Spiel. Hohe Konstruktionen wie Masten, Stromleitungen oder Windturbinen können ähnliche Koronaphänomene erleben. Das Verständnis dessen, was über Baumkronen geschieht, hilft, Geräte besser zu konstruieren, die extremen elektrischen Feldern ausgesetzt sind.

Warum wir es nicht sehen und ob es mit bloßem Auge beobachtbar ist

Das menschliche Auge reagiert hauptsächlich auf sichtbares Licht – von Rot bis Violett. Die Lichtkorona über Bäumen entsteht im ultravioletten Spektrum, also in Wellenlängen, die kürzer sind, als wir direkt wahrnehmen können. Zudem dauert jeder Blitz extrem kurz und hat wenig Energie pro einzelnem Strahl.

Um sich diesem Erlebnis in der Praxis anzunähern, ist es notwendig, auf Technologie zurückzugreifen. Stellen Sie sich spezielle Brillen vor, die mit einer UV-Kamera und einem Konverter integriert sind, der ultraviolette Strahlung in sichtbare Farben übersetzt. Wissenschaftlich ist dies möglich, obwohl solche Geräte immer noch in den Bereich spezialisierter Forschungsausrüstung gehören, nicht in den der alltäglichen Unterhaltungselektronik.

Gelegentlich kann man ein ähnliches Phänomen in kleinerem Maßstab erblicken. Starke Entladungen an scharfen Metallkanten oder Hochspannungsleitungen sind ebenfalls eine Quelle für Koronaentladungen – auf Langzeitbelichtungsfotos sehen wir dann ein zartes Leuchten um die Leiter. Der Wald erlebt während eines Gewitters etwas Ähnliches, aber in riesigem, verteiltem Ausmaß.

Neue Daten aus den USA deuten darauf hin, dass unsere Vorstellung von einem Gewitter als Ansammlung von Blitzen zwischen Wolke und Erde zu vereinfacht ist. Bäume sind nicht nur passive Opfer von Blitzeinschlägen. Sie bilden mit den Wolken ein aktives elektrisches „Netz“, und unsichtbare Blitze über den Kronen werden Teil einer größeren planetaren Batterie, die von der Energie atmosphärischer Stürme gespeist wird.