Laborplasmakugel verhält sich wie ein Soliton – Hinweis auf Kugelblitze

Physiker in China haben eine winzige leuchtende Plasmakugel erzeugt, die beim Ausdehnen ihre Struktur behält und sich wie ein elektromagnetisches Soliton verhält, eine in sich geschlossene Welle. Das Team um Chuliang Zhou von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften berichtet in Nature Photonics über die nach eigener Darstellung erste kontrollierte Erzeugung eines makroskopischen, langlebigen Solitons, das von relativistischen elektromagnetischen Terahertz-Feldern angetrieben wird. Das Ergebnis könnte helfen, den Kugelblitz zu erklären, ein seit Jahrhunderten beschriebenes Phänomen, das sich im Freiland kaum untersuchen lässt.

Warum Kugelblitze so schwer zu untersuchen sind

Ein gewöhnlicher Blitz ist ein gezackter Lichtblitz, der schneller verschwindet als ein Wimpernschlag. Der Kugelblitz dagegen wird in Tausenden von Aufzeichnungen und Augenzeugenberichten als Kugel beschrieben, die über dem Boden schwebt und dann mit einem Knall verschwindet, wie eine Seifenblase. Die Berichte unterscheiden sich stark in Größe, Farbe und Verhalten, was ihn zu einem der eigentümlichsten Rätsel der Atmosphärenforschung macht.

Ein Soliton ist eine einzelne, in sich geschlossene Welle, die ihre Form durch ein empfindliches Gleichgewicht konkurrierender physikalischer Kräfte behält. Solitonen können in Plasma, Wasser und Licht entstehen, überall dort, wo ein solches Gleichgewicht möglich ist. Manche Theorien besagen, dass ein Kugelblitz ein elektromagnetisches Soliton ist, das Energie in einer Plasmahülle einschließt. Plasma ist ein Gas, dessen Atome Elektronen verloren haben.

Wie die Kugel erzeugt wurde

Die Forscher verwendeten eine Wolframnadel, deren Spitze nur 100 Nanometer breit ist; ein menschliches Haar ist 80.000 bis 100.000 Nanometer dick. Ein ultrakurzer Laserpuls, der auf die Nadel abgefeuert wurde, erzeugte eine starke elektromagnetische Welle, die sich entlang der Nadel ausbreitete. An der Spitze konzentrierte sich die Energie der Welle zu einem extrem intensiven elektrischen Feld, das in einer Wolke aus Argongas Elektronen aus den Atomen herausriss und so eine überhitzte Blase aus ionisiertem Argon erzeugte.

Die leuchtende Kugel hatte anfangs einen Durchmesser von rund 80 Mikrometern und wuchs in den folgenden 100 Nanosekunden auf mehrere hundert Mikrometer an. Das ist weit länger als der elektromagnetische Puls, der sie erzeugt hatte, und die Kugel behielt beim Ausdehnen ihre Struktur, statt sich wie eine gewöhnliche Wolke aus heißem Plasma aufzulösen.

Was die Messungen zeigten

Das Team verfolgte die Ausdehnung und analysierte die Wellenlängen des Lichts, das die Kugel beim Abkühlen aussandte, und verglich die Beobachtungen mit theoretischen Modellen und Computersimulationen. Die Ausdehnung entsprach den Vorhersagen für ein elektromagnetisches Soliton, was darauf hindeutet, dass die elektromagnetische Energie im Plasma eingeschlossen blieb. Simulationen einer gewöhnlichen thermischen Ausdehnung ergaben einen viel schnelleren, diffuseren Vorgang.

Weit von einer vollständigen Erklärung entfernt

Ein winziger Lichtpunkt in einem kontrollierten Laborexperiment ist weit entfernt von den atmosphärischen Bedingungen, unter denen Kugelblitze gemeldet werden. Die Forscher nutzten daher ihre Modelle, um zu untersuchen, wie sich der Effekt skalieren ließe. Ihren Berechnungen zufolge könnten Solitonen, die statt von Terahertzstrahlung von Mikrowellen angetrieben werden, theoretisch auf Meter Durchmesser anwachsen und Sekunden lang bestehen, was manchen Augenzeugenberichten näherkommt. Dies ist eine theoretische Schätzung, keine Beobachtung.

Die Autoren schreiben, das Einschließen elektromagnetischer Energie in einer stabilen, lokalisierten Struktur könne zudem neue Wege für Energiespeichertechnologien und für die Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit Materie unter extremen Bedingungen eröffnen. Weitere Berichte zur Physik finden Sie in unserer Rubrik Wissenschaft.