Blitze erzeugen über Kernreaktionen radioaktive Isotope in der Atmosphäre. Diesen bereits 1925 geäußerten Verdacht konnte jetzt erstmals ein Forscherteam in Japan bestätigen. Mithilfe von vier Detektoren für Gammastrahlung beobachtete das Team bei einem Gewitter unmittelbar nach Blitzen eine durch die paarweise Vernichtung von Elektronen und Positronen entstehende Strahlung.

Die Positronen stammen aus dem Zerfall radioaktiver Isotope, die sich wiederum durch Kernreaktionen nach einem Blitz bilden. Gewitter könnten daher eine nicht zu vernachlässigende Quelle von Isotopen sein, die für die archäologische Altersbestimmung verwendet werden, so die Wissenschaftler im Fachblatt Nature (Enoto et al. 2017).

„Blitze sind natürliche Teilchenbeschleuniger“, erläutern Teruaki Enoto von der Universität Kyoto und seine Kollegen. 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 Vermutung hatte bereits 1925 der schottische Physiker Charles Wilson geäußert. Bisherige Versuche, diese Reaktionen zu beobachten, waren jedoch erfolglos oder erlaubten keine Unterscheidung zwischen Reaktionen durch Blitze oder durch die kosmische Höhenstrahlung.

Die Erkenntnisse sind besonders für Archäologen wichtig

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. Bisherige Versuche hatten sich auf den Nachweis der bei der ersten Reaktion erzeugten Neutronen konzentriert.

Enoto und seine Kollegen beschritten jetzt einen anderen Weg: Sie beobachteten bei einem Gewitter am 6. Februar in Japan ausschließlich die Gammastrahlung. Nach jedem Blitz registrierten die Forscher 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. Und 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 dagegen zeigt den Zerfall der sekundär durch die Gammastrahlung erzeugten radioaktiven Isotope. Weitere Untersuchungen müssten nun zeigen, so Enoto und seine Kollegen, welche Isotope bei Gewittern genau entstehen können.

Diese Frage könnte insbesondere für Archäologen von Bedeutung sein. Denn bislang gehen sie bei der Altersbestimmung über den Zerfall radioaktiver Isotope davon aus, dass diese ausschließlich durch die kosmische Höhenstrahlung entstehen. In einigen Regionen könnte jedoch beispielsweise die Produktion von Kohlenstoff-14 durch Gewitter von der gleichen Größenordnung sein wie jene durch die kosmische Strahlung – und so die Altersbestimmung entsprechend verfälschen.