Wie Koronaentladung funktioniert – Bäume leuchten in Gewittern

Ein unsichtbares Lichterspiel über dem Wald

Jedes Mal, wenn ein Gewitter über einen Wald zieht, geschieht etwas Außergewöhnliches, das kein menschliches Auge sehen kann. Die Spitzen von Blättern und Ästen brechen in schwachen ultravioletten Blitzen aus – winzigen elektrischen Entladungen, sogenannten Koronaentladungen – wenn das elektrische Feld der Atmosphäre Ladung durch die Bäume zwingt. Wissenschaftler haben fast ein Jahrhundert lang über dieses Phänomen spekuliert, aber erst als Forscher der Pennsylvania State University einen modifizierten Minivan in Stürme entlang der US-Ostküste fuhren, konnte es jemand auf Kamera festhalten.

Was ist eine Koronaentladung?

Die Koronaentladung ist eine Art von elektrischem Durchschlag, der auftritt, wenn ein starkes elektrisches Feld die Luft um einen spitzen oder scharfen Gegenstand ionisiert. Im Gegensatz zu Blitzen, bei denen ein massiver, plötzlicher Stromfluss zwischen Wolke und Boden stattfindet, ist die Koronaentladung ein leises, kontinuierliches Austreten von Elektrizität. Der Strom ist winzig – etwa ein Mikroampere pro Entladungspunkt – aber die Physik dahinter beeinflusst das Wetter, schädigt die Vegetation und kann sogar die Luft reinigen.

Der Prozess beginnt mit der Ladungstrennung innerhalb einer Gewitterwolke. Die Basis der Wolke trägt typischerweise eine starke negative Ladung, die eine entsprechende positive Ladung auf dem Boden darunter induziert. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wandert die positive Ladung des Bodens durch alles Leitfähige nach oben – einschließlich Baumstämme und Äste – und konzentriert sich an den schärfsten Punkten: Blattspitzen, Kiefernnadeln und Zweigenden.

Wenn das lokale elektrische Feld an diesen Spitzen etwa 30.000 Volt pro Zentimeter überschreitet, beginnen die umgebenden Luftmoleküle zu ionisieren. Elektronen werden aus Stickstoff- und Sauerstoffatomen entfernt, wodurch eine dünne Plasmaschicht entsteht. Wenn die angeregten Moleküle in ihren Grundzustand zurückkehren, setzen sie Photonen frei – vorwiegend im blauen und ultravioletten Bereich – wodurch ein schwaches Leuchten entsteht.

Seeleute wussten es zuerst

Die Koronaentladung ist im Prinzip keine neue Entdeckung. Seeleute haben ihren sichtbaren Cousin, das Elmsfeuer, seit Jahrhunderten beobachtet. Benannt nach St. Erasmus, dem Schutzpatron der Seeleute, galten diese unheimlichen blau-violetten Leuchten an Mastspitzen einst als Vorzeichen – manchmal gut, manchmal schlecht. Die gleiche Physik gilt: Der hohe Metallmast eines Schiffes konzentriert die Ladung genauso wie eine Blattspitze, aber mit genügend Intensität, damit das Leuchten für das bloße Auge sichtbar ist.

Auch Flieger sind ihm begegnet. Während des British Airways Fluges 9 im Jahr 1982 beobachteten Passagiere und Besatzung, wie leuchtende Blitze über die Windschutzscheibe tanzten, als das Flugzeug durch Vulkanasche und elektrisch geladene Luft flog. Das Empire State Building zeigte kurz nach seiner Eröffnung im Jahr 1931 Koronaentladungen.

Das Unsichtbare filmen

Was die Penn State-Studie bahnbrechend machte, war die Erfassung von Koronaentladungen an wilden Bäumen unter realen Sturmbedingungen – etwas, das noch niemand zuvor geschafft hatte. Der leitende Forscher Patrick McFarland und sein Team statteten einen Toyota Sienna von 2013 mit einer Wetterstation, einem elektrischen Felddetektor, einem Laser-Entfernungsmesser und einem auf dem Dach montierten Periskop aus, das mit einer UV-empfindlichen Kamera verbunden war, die auf Wellenlängen zwischen 255 und 273 Nanometern abgestimmt war.

Während der Sommer-Feldkampagnen von Florida bis Pennsylvania zeichnete das Team Hunderte von Koronaereignissen auf. In einer 90-minütigen Beobachtungssitzung in Pembroke, North Carolina, erfasste ihre Kamera 859 Koronablitze an einem Amberbaum und 93 an einer nahegelegenen Küstenkiefer. Einzelne Flimmer dauerten Bruchteile einer Sekunde bis etwa drei Sekunden und sprangen oft zwischen den Blättern hin und her.

"Ich glaube, man würde während Stürmen eine solche Leuchtbahn auf der Spitze jedes Baumes sehen", sagte McFarland. "Das zeigt nur, dass es immer noch Entdeckungswissenschaft gibt."

Warum es für die Atmosphäre wichtig ist

Die Entdeckung hat Auswirkungen, die über das visuelle Spektakel hinausgehen. Koronaentladungen erzeugen Hydroxylradikale – hochreaktive Moleküle, die Kohlenwasserstoffe und andere Schadstoffe in der Luft abbauen. Wälder tragen bereits durch flüchtige organische Verbindungen zur Atmosphärenchemie bei, aber sturmbedingte Koronaentladungen können einen bisher nicht erkannten Reinigungsmechanismus hinzufügen, der auf die Baumkronenebene konzentriert ist.

Es gibt auch ökologische Konsequenzen. Die Entladungen verursachen innerhalb von Sekunden sichtbare Blattspitzenverbrennungen. Forschungen aus den 1960er Jahren zeigten, dass elektrische Ströme in Bäumen Zellmembranen schädigen und Chloroplasten zerstören können – die Organellen, die für die Photosynthese verantwortlich sind. Über viele Sturmsaisons hinweg könnte dieser kumulative Schaden beeinflussen, welche Baumarten in sturmgefährdeten Regionen gedeihen, und die Blattevolution über Jahrtausende hinweg geprägt haben.

Ein häufiges Phänomen, selten gesehen

Das Penn State-Team bestätigte identische Koronaaktivität bei vier verschiedenen Stürmen und mehreren Baumarten – Amberbaum, Küstenkiefer, Fichte und Ahorn – was darauf hindeutet, dass das Phänomen überall dort universell ist, wo Bäume unter Gewittern stehen. Der Grund, warum es so lange unfilmiert blieb, ist einfach: Die beteiligten UV-Wellenlängen werden von der Ozonschicht der Erde blockiert und sind für unsere Augen unsichtbar. Ohne spezielle Ausrüstung, die im richtigen Moment auf den richtigen Baum gerichtet ist, bleibt die Lichtshow verborgen.

Für jeden, der jemals während eines Gewitters unter einem Walddach gestanden hat, ist die Implikation frappierend: Jede Blattspitze darüber hat möglicherweise leise mit Plasma gefunkt, die Luft gereinigt und sich dabei langsam selbst verbrannt.