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Blitz und Donner
Der Blitzschlag ist ein Blitz zwischen Erde und Wolke. Der gewaltige "Kurzschluß" entsteht, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Gewitterwolke und der Erde über 100 Millionen Volt beträgt. Die meisten Blitzschläge beginnen am Erdboden und breiten sich dann nach oben hin aus. Wolke-Erde Blizte machen nur einen geringen Teil aller Blitze aus. Die meisten Blitze verlaufen 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. Auch wenn der Blitz in einigen 10 Metern Entfernung einschlägt, kann er noch Lähmungen hervorrufen oder sogar zum Tode führen.
Gewitter entstehen bei uns vor allem im Sommer. Im Mittelmeerraum 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 Eiskörnchen 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. Der obere Teil des Cb ist normalerweise positiv geladen und der untere negativ. Wenn die Spannung zwischen den verschiedenen Ladungen sehr groß wird, kommt es zu einem Blitz. 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 zwischen dem oberen Teil des Cb und dem Erdboden kommen. Für Blitze zwischen Wolke und Erde muß der Spannungsunterschied mehr als 100 Millionen Volt betragen und die Stromstärke liegt bei 20 000 Amper.
Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf ca. (50 000F) 28 000°C erhitzt. Dies führt zu einer sehr schnellen Ausdehnung der Luft, wodurch der Donner hervorgerufen wird.
Da der Schall im Gegensatz zum Licht nur eine Geschwindigkeit von 330 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 Geschindigkeit eines Blitzes kann mehr als 140 000 km pro Sekunde betragen.
Die meisten Blitze verlaufen zwischen den Wolken und erreichen nicht den Boden. Von ihnen geht keine Gefahr aus. Es kann aber jederzeit zu einem gefährlichen Blitzschlag kommen.
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.
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 gilt es Beobachtungsberichte zusammenzutragen, um das Geheimnis dieser Erscheinung zu lüften.
Die meisten Kugelblitze sind etwa 20cm 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.
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.
Beim Linienblitz treten keine Verästelungen auf. Er sucht sich nicht immer den direkten Weg zum Erdboden, sondern kann auch Knoten und kreisförmige Verschlingungen enthalten
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.
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.
Geschichte:
In der Bibel gilt der Donner als Stimme des Herren (Joh. 12,19)
Nach der nordischen Mythologie löste der keltische 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.
Bei den Kelten und Germanen wurden die Gewitterphänomene als Kampfeslärm gedeutet, der durch das Ringen des Thor mit den Feinden des Menschen entstand. Die sonst Furcht und Schrecken hervorrufenden atmosphärischen Erscheinungen galten hier als nutzbringend.
In der griechischen Mythologie wurde dem Göttervater Zeus, Sohn des Kronos, das Gewitter mit Blitz und Donner zugeordnet. Zeus führte auch den Beinamen "der in der Höhe donnernde". In der Dichtung "Theogonie" von Hesiod (um 700 v.u.Z.), in der die Entstehung der Götterherrschaft dargestellt wird, heißt es über Zeus: "Im Himmel thront er donnergebietend und sendet flammende Blitze, seit er den Vater Kronos gewaltig besiegte." (Vers 71-73)
Die römische Götterwelt entspricht in vielem der griechischen. Anstelle des griechischen Zeus regierte Jupiter das Götterreich und zeigte sich für alle Himmelserscheinungen verantwortlich, besonders für die Gewitter. Die vom Blitz getroffenen Gegenstände oder Orte galten als Jupiters Besitz und waren daher heilig. Auch ein vom Blitz getroffener Mensch, der mit dem Leben davon kam, wurde als einer betrachtet, dem die Götter eine Gunst erwiesen.
Die Gewitterphänomene, insbesondere die Blitze, wurden von den Vorläufern der Römer, den Etruskern, genau beobachtet. Sie teilten den Himmel in 16 Teile, um die Bedeutung der Blitze festzulegen. Blitze aus der Richtung von Westen nach Norden galten als verderbenbringend und Blitze zur linken Hand des Beobachters als glückverheißend. Bisweilen wurde angenommen, daß der Blitz in Stein- oder in Schwefelform falle. Der Glaube an die Blitz- und Donnersteine war daher weit verbreitet und ist bis ins Mittelalter hinein nachweisbar.
Anaximander (um 611-um 547 v.u.Z.) und Anaximenes (um 585-480 v.u.Z.), beides Schüler des griechischen Philosophen und Mathematiker Thales entwickelten eine erste Theorie über die Entstehung eines Gewitters. Als Ursache sahen sie dabei den Wind. Der Donner war für sie das Pressen der Luft gegen und durch die Wolken. Letzteres bewirkte nach ihren Ansichten die Entzündung des Blitzes.
Anaxagoras (499-427 v.u.Z.), ein ionischer Naturphilosoph, nahm das Element "Feuer in den Wolken", den "Äther", in der oberen Atmosphäre und darüber an. Dieses "Feuer" dringt in die niederen Luftschichten ein und erzeugt beim Durchqueren der Wolken den Blitz und dann den Donner, der als zischendes Geräusch und Lärm beim Löschen des Feuers entsteht. Diese Ansicht ist besonders hervorzuheben, da in der antiken Meteorologie der Donner als Ursache und der Blitz als Wirkung angesehen wurden.
Bei den Atomisten Leukippos (um 440 v.u.Z.) und Demokritos (um 420 v.u.Z.), von denen nur Fragmente und Berichte über ihre Schriften überliefert wurden, heißt es: "Leukippos gibt an, das Entweichen von Feuer, das in dichten Wolken eingeschlossen gewesen sei, bewirke starken Donner" (Aetios 3,3,10). Weiterhin wird bemerkt: "Demokrit läßt den Donner aus einer ungleichmäßigen Zusammensetzung entstehen, die sich durch das umgebende Gewölk hindurch gewaltsam einen Ausweg nach unten bahnt. ... Blitzschlag entstehe, wenn sich aus reineren und leichteren gleichartigen und zugleich - wie er selbst schreibt - festgefügten Zusammensetzungen feuererzeugende Stoffe gewaltsam einen Weg bahnen" (Aetios 3,3,11)
Der Dichter Aristophanes (um 445-386 v.u.Z.) verarbeitete meteorologische Fragen in seiner Komödie "Die Wolken", in der er ein Zwiegespräch zwischen Sokrates und seinem bäuerlichen Schüler Strepsiades entwirft. Sokrates erläutert hier auch die Bildung des Blitzes als einen in den Wolken eingepreßten "trockenen Wind". der beim Ausbrechen entflammt und verglüht.
Theophrast (371-287 v.u.Z.), ein Schüler von Aristoteles erörtert das Phänomen von Blitz und Donner sehr detailliert. Für den Donner gibt er sieben Gründe an, die in Form von praktischen Beispielen gebracht werden, wie der Knall beim Zusammenschlagen der Hände, das Platzen einer luftgefüllten Blase, das Reiben von Mühlensteinen aufeinander u.ä. Die Blitzursache wird in ähnlicher Weise praktisch erläutert: erstens durch Funkenschlag aus Steinen, zweitens durch Aufflammen beim Reiben von Hölzern zur Feuergewinnung und drittens durch Aufflammen des glühenden Eisens beim Ablöschen. Als vierten Grund nennt er die traditionelle aristotelische Auffassung vom Pressen und Zerreisen der Wolken. In der Abfolge von Blitz und Donner verläßt Theophrast die Auffassung des Aristoteles: "...Der Blitz geht aber dem Donner voraus aus zwei Gründen: entweder weil das Feuer besonders schnell aus der Wolke herauskommt oder weil zugleich der Blitz und der Donner stattfinden: besonders schnell sehen wir den Blitz, langsamer aber hören wir den Donner..." (Syrischer Auszug der Meteorologie des Theophrast 351 b, 13-16). Wiederum unterstützt der Philosoph seine Beweisführung durch ein praktisches Beispiel, indem er auf die Beobachtung des Holzspaltens aus der Ferne hinweist, wo zuerst der Schlag zu sehen und dann erst das Geräusch zu hören ist.
Bei den Inkas (13.-16. Jh) waren die Sonne und der Mond (als Schwester der Sonne) die Hauptgottheiten. Der König selbst, der Inka, galt als Gott und verkörperte die Sonne. Blitz und Donner waren die Diener der Sonne und wurden in eigenen Tempeln angebetet.
Literaturhinweis:
Sahst Du nicht, daß Allah die Wolken treibt...und er sendet Berge (von Wolken) vom Himmel hernieder, erfüllt mit Hagel, und er trifft damit, wen er will, ... Der Glanz seines Blitzes raubt fast die Blicke. (Koran, 24. Sure, Vers 43).
Weblinks:
RADAR-Mess-Station
Gewitterfelder zwischen Mallorca und dem Festland Spanien. Messungen: Pedro Servera, September 2004
Schönwetterfeld
In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Potentialdifferenz von etwa 300000V zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (ca. 50km). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluß dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke 1000 A vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab, es ist daher ein Ladevorgang notwendig, dieses Aufladen des 'Erdkondensators' wird durch Gewitter besorgt.
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.
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.
Hauptblitz
Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver 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.
Wolkenauflösung
Die meisten Blitze haben negative Ladung zur Erde transportiert, es verbleibt daher nach Wolkenauflösung eine größere Anzahl positiver Ladungsträger in der oberen Troposphäre. Durch die Blitzentladungen vom negativen Ladungszentrum im unteren Teil der Wolke wurde negative Ladung zur Erde transportiert.
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.
Weblinks zum Thema:
* Austrian Lightning Detection and Information System (ALDIS)
* Blitzschutz Online
* ipa Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
* Europeen Cooperation of Lightning Detection (EUCLID)
* Kosmische "Blaue Blitze" von Supernovae
* Informationen zur baurechtlichen Risikoabschätzung - Blitzschutznachweis
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