Blitz

Blitze über der Rheinebene

Der Blitz ist eine Lichterscheinung zwischen der Erdoberfläche und einer Wolke. Er ist meist mit einem Gewitter verbunden. Der Bltz selbst stellt eine Art gewaltigen elektrischen Kurzschlusses dar und entsteht, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Gewitterwolke und der Erdoberfläche vorübergehend nicht durch entsprechende Luftfeuchtigkeit abgeleitet wird und auf über 100 Millionen Volt steigt. Fast alle Blitzschläge beginnen in den Wolken und breiten sich dann nach unten hin aus, wobei sie von deutlich sichtbaren Erscheinungen in Form eines kurzzeitigen Aufleuchtens und eines anschließenden hörbaren Donners begleitet werden. Viele Blitze verlaufen jedoch zwischen den Wolken und stellen keine Gefahr dar. Blitzschläge können dagegen verheerende Schäden verursachen. Sie spalten Bäume und können Häuser in Brand setzten oder elektronische Geräte zerstören. Wenn der Blitz in einigen Metern Entfernung einschlägt, kann er Lähmungen hervorrufen oder sogar zum Tode führen.

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1 Gewitter

Gewitter entstehen in Deutschland und den Nachbarländern vor allem im Sommer. Im Mittelmeerraum auch zwischen September und April. Die starke Sonneneinstrahlung lässt viel Wasser verdunsten und erwärmt die Luft.

Wenn dann eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft unter die warme, so dass die feuchtwarme Luft in die Höhe steigt. Dabei kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich Quellwolken, die schließlich zu einem Cumulonimbus (Cb) anwachsen können. Im Cb herrschen starke Aufwinde, die verhindern, dass kleinere Regentropfen aus der Wolke nach unten fallen. Die Regentropfen und sich bildende Eiskristalle werden immer wieder nach oben getragen, wo sie gefrieren und sich neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die Eiskörner so schwer geworden sind, dass sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke kalte Regentropfen, Graupeln oder sogar Hagelkörner aus dem Cb. Durch die Aufwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit unterschiedlichen Ladungen. Wenn die Spannung zwischen den verschiedenen Ladungen sehr groß wird, kommt es zu einem Blitz. Meistens fließt die negative Ladung von der Wolkenunterseite zum Boden, man spricht vom Negativblitz. Entweder erfolgt ein Spannungsausgleich innerhalb der Wolke oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke. In seltenen Fällen kann es auch zu einem positiv geladenen Blitz vom Erdboden aus kommen. Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied mehr als 100 Millionen Volt betragen und die Stromstärke liegt bei 20.000 Ampere.

2 Ladungstrennung in der Wolke

Durch verschiedene Prozesse innerhalb der Gewitterwolke findet eine Trennung von elektrischen Ladungen statt. Diese Ladungstrennung ist mikroskopischer und makroskopischer Natur. Im Resultat von Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozesse zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen positive geladen während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine großräumige Separation dieser Teilchen erfolgt dann durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke. Die leichten Eispartikel finden sich im oberen Teil der Wolke, wo sich somit ein positives Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum. Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker.

3 Leitblitz

Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative Ladungsträger in Form des sogenannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche zuzubewegen. Dieser Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die typischen Verästelungen.

4 Hauptblitz

Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration negativer Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche. Wenn schließlich die lokale Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet, kommt dem stepped leader vom Erdboden aus eine Fangentladung entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort die maximalen Feldstärken erreicht werden. Wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals. Durch den Stromfluss heizt sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der Stromfluss auf einen dünnen Kanal begrenzt in dessen Zentrum bis zu 30000 K erreicht werden können. Der Strom kann über 100 kA betragen.

Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus, es entsteht eine Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der Donner, generiert werden. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab.

Ein Return-Stroke dauert meist nur einige Mikrosekunden an, es kann jedoch auch ein kontinuierlicher Strom für einige Millisekunden fließen. Abhängig ist dies vom 'Nachschub' an freien Ladungsträgern und auch von der magnetohydrodynamischen Stabilität des Blitzkanals. Die transportierte Ladungsmenge liegt in der Regel bei einigen Coulomb, die elektrische Energie bei einigen GigaJoule.

Die meisten Erdblitze bestehen aus mehreren return-strokes, die den Kanal des ersten Blitzes nutzen. Die Zeit zwischen den einzelnen Entladungen liegt bei 50-100 ms. Die Folge dieser Entladungen bilden das charakteristische Flackern des Blitzes.

5 Blitzarten

Blitzentladungen zwischen Wolke und Erde werden unterschieden nach der Polarität der zur Erde transportierten Ladung und Richtung des Leaders.

1. negativer Wolke-Erde-Blitz 2. positiver Wolke-Erde-Blitz

3. negativer Erde-Wolke-Blitz 4. positiver Erde-Wolke-Blitz

Der größte Teil (etwa 90%) der Blitze zwischen Wolke und Erde werden in der Wolke initiiert, breiten sich und transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche.

Blitze, die von der Erde in Richtung Wolke verlaufen, gehen meist von hohen Bauwerken oder Berggipfeln aus. Die Feldstärke ist in der Umgebung dieser Spitzen besonders hoch, so dass ein Leitblitz nach oben ausgelöst werden kann.

Vielfältige Entladungen finden innerhalb der Wolke statt und werden durch das Aufleuchten ganzer Wolkenbereiche sichtbar. Ein Teil dieser Entladungen kann in einen Erdblitz übergehen.

6 Donner

Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig bis zu 30 000 °C erhitzt. Dies führt zu einer sehr schnellen Ausdehnung der Luft, wodurch der Donner hervorgerufen wird.

Da der Schall eine Geschwindigkeit von rund 333 Metern pro Sekunde hat, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (3 Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Die Geschwindigkeit eines Blitzes kann mehr als 30 000 km pro Sekunde betragen.

Um bei einem Gewitter ohne Messmittel eine ungefähre Entfernungsangabe zu erhalten, kann die Zeit zwischen Blitz und Donner gezählt werden. Dabei wird die Laufzeit des Lichtes vernachlässigt. Diese Zeit in Sekunden, multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit (343 m/s bei 20 °C), ergibt die Entfernung in Metern. Annäherungsweise kann auch die Zeit in Sekunden geteilt durch 3 für die ungefähre Entfernung in Kilometern gerechnet werden.

7 Atmosphärische Erscheinungen

Es gibt wohl keine atmosphärische Erscheinung, über die sich so viele Legenden ranken und die so geheimnisvoll ist, wie der Kugelblitz. Aber Tausende von Augenzeugen können nicht lügen: Der Kugelblitz ist ein real existierendes Phänomen der Atmosphäre.

7.1 Kugelblitz

Dennoch wurde seine Existenz in der Vergangenheit immer wieder bezweifelt. Die Erscheinung wurde damit erklärt, dass man von einem Blitz stark geblendet werden kann und dann einen hellen Lichtfleck als Nachleuchten wahrnimmt, der der Augenbewegung folgt. Mittlerweile gelang es aber japanischen Wissenschaftlern, kugelblitzartige Plasmabälle künstlich im Labor zu erzeugen. Dadurch haben die Beobachtungsberichte an Glaubwürdigkeit gewonnen.

Leider gibt es kaum Fotos von Kugelblitzen. Soweit Fotos vorhanden sind, haben sie nur wenig Aussagekraft. Daher wurden Beobachtungsberichte zusammengetragen, um das Geheimnis dieser Erscheinung zu lüften.

Die meisten Kugelblitze sind etwa 20 cm groß. Sie können in den unterschiedlichsten Farben leuchten. Es gibt Berichte über grüne, blaue, rote und gelbe Leuchtkugeln. Zumeist haben sie eine rötliche Farbe. Die Leuchtdauer ist ebenfalls sehr unterschiedlich. Häufig dauert die Erscheinung zwischen 2 und 8 Sekunden. In seltenen Fällen kann der Kugelblitz über 30 Sekunden bestehen bleiben. Oft löst sich die Kugel mit einem lauten Knall auf. Kugelblitzen wird auch die Fähigkeit zugeschrieben, Wände und Fenster unbeschadet zu durchdringen. Die Kugel kann in der Luft schweben oder über den Boden rollen. Meistens bewegt sie sich relativ langsam (2-3 m/s). Kugelblitze treten fast nur im Zusammenhang mit Gewittern auf. Es ist zweifellos eine sehr seltene Erscheinung. Dennoch bestehen gute Chancen, dass ein aufmerksamer Naturbeobachter einmal im Leben auf einen Kugelblitz trifft. Eine große Gefahr scheint von ihnen nicht auszugehen. In einem Fall wurde die Kugel mit der bloßen Hand beiseite geschoben, ohne dass es zu Verletzungen kam.

7.2 Plasmafäden

Plasmafäden können im Nahbereich eines Blitzschlages auftreten. Kurz vor dem eigentlichen Blitz ist die Spannung zwischen dem Erdboden und der Luft sehr groß. Meistens ist es so, dass sich zunächst ein unsichtbarer Blitzkanal bildet, der dann den Kurzschluss verursacht, wobei sich die Spannung durch den dann sichtbaren Blitz abbaut. Manchmal bilden sich aber kurz bevor die Entladung erfolgt mehrere fadenartige sichtbare Plasmastränge, die vom Erdboden nach oben streben und eine Länge von einigen cm bis hin zu mehreren Metern haben. Einer dieser Plasmafäden stellt dann den Kurzschluss her und es kommt zum Blitzschlag. Die anderen Plasmafäden verschwinden darauf sofort wieder, da sich die Spannung durch die Entladung abgebaut hat.

7.3 Linienblitz

Beim Linienblitz treten keine Verästelungen auf. Er sucht sich nicht immer den direkten Weg zum Erdboden, sondern kann auch Knoten und kreisförmige Verschlingungen enthalten.

7.4 Elmsfeuer

Das Elmsfeuer ist eine Funkenentladung an hohen Gegenständen. Es tritt bei starken Spannungsdifferenzen zwischen dem Boden und der Luft auf. Das Elmsfeuer wurde u.a. an Kirchturmspitzen, Schiffsmasten, Bergspitzen und Stacheldrahtzäunen beobachtet. Es tritt nur sehr selten auf. Wenn man ein Elmsfeuer in der Nähe sieht, besteht höchste Gefahr eines Blitzschlages. Die starke Spannungsdifferenz kann sich auch dadurch zeigen, dass einem die Haare zu Berge stehen. Auch wenn dies "lustig" aussehen mag, hat man in diesem Fall den Ort sofort zu verlassen, da ein Blitzschlag unmittelbar bevorsteht.

Bei den "red Sprites" handelt es sich um eine Leuchterscheinung, die oberhalb von Gewitterzellen auftritt und eine Höhe von 100 km erreichen kann. Es ist ein kurzes (ca. 5 ms) rötliches Aufleuchten und steht im Zusammenhang mit Blitzen unterhalb der Gewitterzelle. Das leuchtende Gebiet kann ein Volumen von 10.000 km^3 haben.

7.5 Red Sprites

Die "red Sprites" wurden erstmalig am 21.10.1989 mit einer hochempfindlichen Videokamera des Space Shuttle aufgezeichnet. Es gab aber schon vorher Berichte von Piloten über eine seltsame Leuchterscheinung oberhalb von Gewitterzellen, die sich bis in die Ionosphäre erstreckt. Die Beobachtungen wurden damals aber nicht ernst genommen. Mittlerweile gibt es zahlreiche Forschungsprojekte, die sich mit Sprites beschäftigen.

Mit den "red Sprites" verwandt sind die "blue Jets". Diese blauen Lichtfontänen beginnen oberhalb der Gewitterzelle und breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 100 km/s bis in eine Höhe von etwa 50 km aus.

Interessant ist, dass Sprites auch vom Boden aus beobachtet werden können. Die besten Bedingungen liegen vor, wenn sich ein Gewitter in etwa 200 km Entfernung befindet. Die Sprites haben dann eine Höhe von etwa 10-20° über dem Horizont. Voraussetzung ist, dass der Himmel klar und vollkommen dunkel ist. Mit etwas Glück und Geduld kann man dann für Sekundenbruchteile ein rötliches Aufleuchten wahrnehmen, das etwa die Helligkeit von Polarlichtern hat.

8 Mythologie

In der Bibel gilt der Donner als Stimme des Herren (Joh. 12,19)

Nach der nordischen Mythologie löste der Göttervater [[Donar] oder Thor die Himmelsphänomene aus, insbesondere Blitz und Donner. Demnach schwang Thor den Gewitterhammer Mjöllnir. Daher verglichen ihn die römischen Schriftsteller mit Jupiter, dem Blitzeschleuderer.