Onweersbuien gaan gepaard met donder en bliksem. In dit artikel kijken we hoe bliksem tot stand komt. Voor onweersbuien hebben we veel vocht en sterke verticale bewegingen in de luchtkolom nodig. Om dit laatste te kunnen krijgen moet de atmosfeer onstabiel zijn. Nu kunnen er grote wolken ontstaan die uiteindelijk tot een buienwolk kunnen groeien. We noemen een buienwolk een cumulonimbus. Dergelijke wolken kunnen ruim vijftien kilometer hoog worden.

In een cumulonimbus is de temperatuur aan de onderzijde meestal boven het vriespunt, terwijl de temperatuur boven in de wolk onder het vriespunt is. Door dit temperatuurverschil komt water in allerlei vormen voor in de wolk: gewoon water, onderkoeld water, kleinere ijsdeeltjes, zoals sneeuw en graupel (een soort zachte hagelsteentjes) en grotere ijsbrokken zoals hagelstenen.

Al deze vormen van water bewegen in een bui door de verticale stromen door elkaar heen. Daarbij vinden constant botsingen tussen de deeltjes plaats; met name in het centrale deel van de wolk waar de temperatuur grofweg tussen -15 en -25 graden Celsius is.

Door de botsingen krijgen de deeltjes een elektrische lading. De tot nu toe aangehouden theorie is dat de waterdruppels bevriezen, zodra ijsdeeltjes botsen met waterdruppels. Daarbij komt een beetje warmte vrij die het oppervlak van de hagel iets warmer houdt dan de ijsdeeltjes in de omgeving. Er ontstaat “zachte hagel” die we graupel noemen. Wanneer graupel weer botst met andere waterdruppels en ijsdeeltjes, treedt een kritisch proces op: elektronen worden van de opstijgende lichtere deeltjes afgeschuurd en verzamelen zich op de dalende zwaardere deeltjes. Elektronen hebben een negatieve lading, waardoor een onweerswolk een negatief geladen basis heeft. In de bovenzijde komen juist de lichtere deeltjes die elektronen missen. Zo krijgt de bovenzijde van de wolk juist een positieve lading.

Er kan ook een klein gedeelte van de wolkenbasis positief worden geladen door een sterke daalstroom. Deze sleurt positieve deeltjes van de bovenkant van de wolk naar beneden, maar dat laten we hier buiten beschouwing.

Onder de buienwolk gebeurt aan de grond ook iets. De grond is van nature licht negatief geladen. Als er een stevige onweersbui met een negatieve wolkenbasis boven de grond hangt zal de negatieve lading worden weggedrukt en worden aan het aardoppervlak positief geladen deeltjes ‘aangetrokken’.

Wanneer het spanningsverschil tussen wolk en aardoppervlak te groot wordt zal de natuur dit verschil willen opheffen. Dan is het tijd voor een bliksemontlading.

Lucht is van zichzelf een slechte stroomgeleider. Toch moet de spanningsoverdracht grotendeels door de lucht plaatsvinden. Met andere woorden, de lucht zal stroom moeten geleiden. Wanneer de spanning aan de wolkenbasis te hoog wordt zal de lucht rond het hoge spanningsveld gaan ioniseren. Tijdens dit proces krijgt een neutraal geladen atoom een positieve lading doordat een elektron wordt verwijderd uit de elektronenwolk rond het atoom. Zo wordt de lucht een mengsel van positieve ionen (elektrisch geladen atomen) en vrij bewegende negatieve elektronen. Dit gecreëerde mengsel van geladen deeltjes noemen we plasma, wat prima stroom kan geleiden.

Nu de lucht goed kan geleiden kan de stroom worden overgebracht. Dit gebeurt in typische stapjes van circa vijftig meter met een snelheid van ongeveer honderd kilometer per seconde. Na elk stapje is er een kort ‘rustmomentje’ (circa vijftig microseconden) om het volgende stukje lucht te ioniseren. Dan volgt het volgende stapje. Deze aaneenschakeling van stapjes noemen we de stepped leader.

Een stepped leader is geen strak, recht pad, maar grillig met vertakkingen. Wetenschappers denken dat dit komt omdat de samenstelling van de lucht niet overal hetzelfde is en ook de opbouw van het elektrisch veld niet overal gelijk is. Het ionisatieproces gaat hierdoor op de ene plek makkelijker dan op de andere plek.

De stepped leader is eigenlijk alleen met een hogesnelheidscamera goed zichtbaar te maken. Het uiteinde van iedere stap geeft een blauwachtig, zwak licht.

Uiteindelijk zal er een vertakking van de stepped leader zo’n vijftig tot honderd meter van de grond komen. Vanaf het aardoppervlak gaan nu positief geladen deeltjes omhoog stromen. Vaak gaat dit via een hoog object zoals een boom, gebouw of windmolen. Deze stroom van omhoog bewegende deeltjes noemen we de upward streamer. 

Als de twee stromen elkaar raken is het hoofdkanaal tot stand gekomen en kan de stroom van de wolk naar de grond stromen. Dit gaat gepaard met de bliksemflits. De bliksemflits begint bij het contactpunt waar de stepped leader en upward streamer elkaar hebben geraakt, meestal zo’n honderd meter boven het aardoppervlak. Vanuit dit punt gaat de bliksemstraal naar de grond én naar boven tot de wolkenbasis. We noemen dit de return stroke. Die beweging, het groeien van de bliksemflits vanaf het contactpunt naar de wolk, inclusief de zijvertakkingen van de stepped leader, kunnen wij niet met het blote oog niet waarnemen. Dit gaat met wel 80.000 kilometer per seconde. Daardoor zien wij in één keer de hele bliksemflits.

Wanneer er nog meer negatieve lading beschikbaar is in de wolk wordt er nog een keer ontladen. Dit gaat via het pad dat de stepped leader al heeft uitgezet. Deze dart leader volgt meestal niet de zijvertakkingen, maar alleen het al gemaakte hoofdkanaal en is dus veel sneller dan de stepped leader. De dart leader wordt ook gevolgd door een return stroke en een bliksemstraal door het hoofdkanaal. Hierdoor zien we de bliksem soms duidelijk flikkeren; de zijtakken doen niet meer mee. Gemiddeld zijn er bij een blikseminslag twee of drie dart leaders met return strokes. Er zijn echter gevallen waargenomen met meer dan twaalf dart leaders. 

Soms weet een wolk in een keer te ontladen. Er is dan geen sprake van dart leaders, maar alle elektriciteit wordt in een lange ontlading overgebracht. De flits flikkert nu niet, maar blijft als het ware branden. Wel varieert de intensiteit tijdens dit proces. Dergelijke bliksems noemt men hete bliksem en zijn vaak oorzaak van branden, omdat de temperatuur langer hoog blijft waardoor de kans op ontbranding groot is.

Negatieve ontladingen tussen wolk en grond zijn de meest voorkomende ontladingen richting de aarde. Er zijn ook  positieve ontladingen van wolk naar grond. Die komen veel minder vaak voor, maar zijn wel gevaarlijker omdat ze meestal veel sterker zijn.

De gevaarlijksten zijn de ontladingen die plaats vinden vanuit de wolkentop ver van het centrale deel van de bui vandaan. Deze ontladingen kunnen kilometers ver van de bui inslaan en worden ervaren als een donderslag bij heldere hemel. Positieve ontladingen zijn veel zeldzamer. Slechts vijf procent van de wolk-grond ontladingen zijn positieve ontladingen. Een positieve ontlading is vaak een enkele ontlading (hete bliksem) in tegenstelling tot negatieve ontladingen en levert vaker branden op.

De zwaarste onweersbuien, zoals supercells, kunnen naast bliksem nog veel meer hevig weer met zich meebrengen. Denk aan valwinden, extreme hagel, wateroverlast en zelfs tornado’s. 

Foto boven: Christian Versloot.