Messtechnik extrem Blitze mit Radiowellen, Antennen und Digitizer-Karten entschlüsseln

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Blitze sind faszinierende Naturphänomene, doch die genauen Ursachen und Vorgänge bei Blitzeinschlägen sind bis heute nicht vollständig geklärt. Forscher entschlüsseln jetzt die Geheimnisse des Blitzes.

Die Ursachen eines Blitzes sind komplex und immer noch unklar. An der Duke University in North Carolina, USA, versucht das Team von Prof. Cummer, diese Vorgänge zu verstehen. Blitze spielen sich oft vollständig innerhalb von Wolken ab, so dass sie optisch nicht zu beobachten sind. Jeder Blitz erzeugt Radiowellen im UHF- und VHF-Frequenzbereich. Sie lassen sich auffangen und untersuchen. Allerdings fallen in den Sekunden vor und während des Blitzes große Datenmengen an, die verarbeitet und aufgezeichnet werden müssen. Deshalb haben sich die Wissenschaftler für Digitizerkarten von Spectrum Instrumentation entschieden.

Steven A. Cummer, Professor für Elektro- und Informationstechnik an der Duke University, erklärt: „Vor einigen Jahren hatten wir noch keine Möglichkeit, die erforderlichen Datenmengen zu erfassen und zu verarbeiten. Bei einem aktiven Gewitter müssen wir in der Lage sein, mehr als ein Terabyte Daten pro Stunde aufzuzeichnen. Wir haben uns dann für den Vierkanal-Digitizer M4i.4451-x8 von Spectrum entschieden und verwenden zwei dieser PCIe-Karten in unserem Setup. Die beiden Karten sind über das Star-Hub-Modul von Spectrum miteinander verbunden, so dass wir acht Antennen gleichzeitig aufzeichnen können.

Der Star-Hub sorgt dafür, dass alle Kanäle perfekt synchronisiert sind. Das ist wichtig, weil wir die Antennen als Interferometer verwenden. Aus kleinsten Zeitunterschieden zwischen den Signalen verschiedener Antennen können wir den Ort jedes Blitzereignisses genau bestimmen, der bis zu 50 Kilometer entfernt sein kann. Die Digitizer haben eine Abtastrate von 500 Megasamples pro Sekunde auf jedem Kanal, um die benötigten Daten zu erfassen. Die Auflösung von 14 Bit stellt zudem sicher, dass uns auch kleinste Signale nicht entgehen.“

Die wichtige Sekunde, bevor der Blitz kommt

Prof. Cummers Forschung konzentriert sich vor allem auf die Sekunden vor und nach dem Blitz. Die Anatomie eines entstehenden Blitzes ist inzwischen gut bekannt: Es handelt sich um einen leitenden Kanal aus heißem, ionisiertem Gas, der Hunderte von Metern lang sein kann. „Die Herausforderung besteht darin, Daten zu sammeln, bevor der Blitz beginnt. Es ist fast unmöglich, diese Daten vor dem Ereignis zu erhalten, wenn man einen Blitz optisch erfassen will, da es praktisch unmöglich ist, rückwirkend Daten zu sammeln“, erklärt er.

„Aber jetzt, mit den Spectrum-Digitizerkarten, können wir die Daten kurz vor dem Blitz erhalten. Die Karten zeichnen ständig Daten auf und überschreiben sie, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Der Blitz ist der Auslöser, um nicht nur die Daten der nächsten Sekunden aufzuzeichnen, sondern auch die vorhergehenden Sekunden, die noch im Speicher sind.

Mit einem Speicher von zwei GigaSamples pro Karte steht mehr als genug interner Speicherplatz zur Verfügung, um mehrere hundert MegaSamples pro Sekunde zu erfassen und auf eine SDD zu schreiben. Danach wird das System extrem schnell zurückgesetzt, um für das nächste Blitzereignis bereit zu sein. Das ist sehr wichtig, da wir Gewitterstürme untersuchen, bei denen über mehrere Stunden hinweg alle paar Sekunden ein Blitz auftreten kann.“

Zur Steuerung und Programmierung des 8-Kanal-Digitalisierungssystems verwendet Prof. Cummer die Messsoftware SBench 6 von Spectrum. „Dieses Programm ist so einfach und vielseitig zu bedienen, dass wir für unser Projekt keine Zeit aufwenden mussten, um eine spezielle Software von Grund auf zu programmieren“, berichtet er.

Gammastrahlung in Gewittern

Ein weiteres Rätsel, das Prof. Cummer und sein Team lösen wollen, ist die Frage, warum manche Blitze hochenergetische Gammastrahlung erzeugen und andere nicht. Dass dies der Fall ist, wurde vor etwa 30 Jahren entdeckt. Gammastrahlendetektoren auf Satelliten empfingen Signale von der Erde, obwohl die Wissenschaftler erwartet hatten, dass sie nur aus dem Weltraum kommen.

Die Gammastrahlung in einem Gewitter entsteht zu Beginn eines Blitzereignisses. Die im Rahmen des aktuellen Projekts gesammelten Pre-Event-Daten werden es den Physikern ermöglichen, diese Art der der Entstehung von Gammastrahlen besser zu verstehen.

Ein Beispiel für eine Blitzanalyse

Das Messsystem mit seinen acht Antennen ist grundsätzlich mobil einsetzbar, wurde aber bisher an einem festen Standort an der Duke University in Durham betrieben. Der analysierte Blitz wurde am 12. April 2019 um 21:24:40 UTC aufgezeichnet. Bemerkenswert ist, dass das gesamte Blitzereignis innerhalb einer Gewitterwolke stattfand, so dass nur eine diffus leuchtende Wolke zu sehen war.

Mit den VHF-Funkmessungen konnte jedoch die gesamte Struktur des Blitzes erfasst werden, die im Diagramm dargestellt ist. Mit Azimut und Elevation ist jede Position am Himmel klar definiert. Die zeitliche Abfolge des einsekündigen Blitzes ist im Video (Link unter dem Artikel) in Zeitlupe zu sehen. Jeder Punkt im Video ist eine lokalisierte Radioquelle des Blitzes. Zusammen geben diese Punkte einen sehr klaren Überblick über die räumliche und zeitliche Struktur des Blitzereignisses.

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