Geheimnis der Sandsturm-Blitze gelüftet

In Sandstürmen können immer wieder spektakuläre Blitze beobachtet werden. Zählte deren Entstehung bisher noch zu den Mysterien der Wissenschaft, bieten nun Forscher vom Institut für Baustoffe der ETH Zürich und der Rutgers University eine mögliche Erklärung. In der Zeitschrift „Nature Physics“ beschreiben sie ein Modell für die Ladevorgänge in Wolken von Sandkörnern. Interessant ist das Phänomen, da Sandkörner zu den Nichtleitern zählen, während eine Blitzentstehung doch die Leitung gewaltiger Ladungsmengen erfordert.

Die Ladung der Isolierteilchen

Blitze in Staubwolken kommen immer wieder vor, etwa bei Vulkanausbrüchen oder bei Staubstürmen, wobei letztere sogar am Mars vorkommen (pressetext berichtete: http://pressetext.com/news/090701039/ ). „Dasselbe Phänomen sorgt jedoch auch in Getreidesilos manchmal für Explosionen, bei Solarpanels von Weltallmissionen für Verdunkelung durch Staub oder bei der Medikamentenherstellung zur fehlerhaften Vermischung geladener Wirkstoffe“, erklärt Studienautor Hans Herrmann.

Das Modell, das Herrmann und sein US-Kollege Troy Shinbrot nun liefern, nimmt die Existenz eines elektrischen Feldes in Staubwolken an, das dessen neutrale, runde Partikel polarisiert. Dabei wird die Partikeloberseite negativ, die Unterseite positiv geladen. Jedes mal wenn zwei Partikel aufeinandertreffen, neutralisieren sie einander an der Kontaktstelle, werden bei der Trennung jedoch stärker als zuvor polarisiert. Prallen die Partikel immer wieder voneinander ab, könnten somit große Mengen Ladung übertragen werden, selbst wenn dabei kein leitendes Medium im Spiel ist.

Ausgangsladung bleibt weiter Rätsel

Dünne Wolken von Staub können, so die Physiker, nur schwache Ladungen aufbauen, da in ihnen nur wenige Artikel aufeinanderstoßen. Überraschenderweise gibt es jedoch auch in dicken Wolken mit vielen Partikeln nur schwache Ladungen. „Die Partikel dicker Wolken kollidieren mit vielen Nachbarn, doch kostet jede Kollision auch Energie. Eine genaue Berechnung zeigt, dass jedes Teilchen in einer dicken Wolke weniger Kollisionen pro Zeiteinheit erträgt als in einer mitteldicken Wolke“, so Shinbrot.

Dass sich Staubwolken durch diese Prinzip dramatisch aufladen können, konnten die Forscher in einem Experiment mit farbigen Glasperlen zeigen. Ungelöst bleibt aber weiter die Frage, was in der Natur das elektrische Feld auslöst, das den Sand zu Beginn polarisiert, denn in Wüsten gibt es kaum extern geladene Felder wie etwa nahe Gewitter. Die Forscher wollen nun erheben, wie unerwünschte Ladungen von Partikeln verhindert werden können, um etwa in Fabriken die Explosionsgefahr zu verringern.