Heiter bis Stürmisch

HBS008 Der Blitz

28 June 2020

Gewitter sind eines der beeindruckensten Naturschauspiele, die die Erde zu bieten hat. Im Schnitt blitzt es jede Sekunde bis zu Hundert mal, das macht bis zu zehn Millionen mal am Tag. Blitze wurden in der Antike als Zeichen der Götter gedeutet. Je nach Himmelsrichtung kamen den Blitzen bestimmte Deutungen zu. Befand sich ein Gewitter im Westen und verlagerte sich weiter nach Norden, so bedeutete dies Unheil. Wurde ein Gewitter jedoch im Osten beobachtet galt dies als positives Zeichen der Götter.

Im Mittelalter hielt dieser Glaube weiterhin an. Martin Luther beispielsweise gehörte auch dazu. Als er eines Tages bei einem Spaziergang in ein heftiges Gewitter geriet, bangte er um sein Leben. Damals war die Gefahr von einem Blitz getroffen zu werden tatsächlich höher als heutzutage. Zum einen arbeiteten mehr Menschen auf dem Land und außerdem befanden sich an den Gebäuden noch keine Blitzableiter. Heutzutage treffen in Mitteleuropa nur etwa 35 von 100 Blitzen den Erdboden. 65% sind sogenannte Wolkenblitze. Die Wolkenbasis, also die untersten Schichten einer Gewitterwolke, muss eine bestimmte Höhe unterschreiten, damit eine Entladung zwischen Erdboden und Wolke statt findet. Natürlich gibt es hier auch Ausnahmen. In den Tropen befindet sich die Wolkenbasis einer Gewitterwolke, meist über 3 Kilometer Höhe. Das führt dazu, dass kaum ein Ladungsausgleich zwischen Erdboden und Wolke erfolgt und daher in den Tropen fast ausschließlich Wolkenblitze beobachtet werden und keine Blitze, die in den Erdboden oder in Gebäuden einschlagen. Daher sind Blitzableiter in den Tropen eher selten zu finden.

Die Gewitterwolke selbst muss natürlich auch eine gewisse Mächtigkeit aufweisen, damit ein Blitz entstehen kann. Und Blitze sind nichts anderes als elektrische Ströme, die gegensätzliche Ladungen ausgleichen. Das hat der Naturwissenschaftler und Politiker Benjamin Franklin Mitte des 18. Jahrhunderts herausgefunden. Für den Ladungsausgleich muss erst einmal eine Ladungstrennung erfolgen. Die Wasser- und Eisteilchen der Gewitterwolke kollidieren und wechselwirken miteinander, wodurch sie sich unterschiedlich aufladen. Dabei sammeln sich die positive geladenen und leichteren Eisteilchen durch die starken vertikalen Aufwinde oben in der Wolke an und die negativ geladene Teilchen befinden sich eher im unteren Bereich der Wolke. An der Wolkenbasis, also am Fuß der Gewitterwolke gibt es einen weiteren schmalen Bereich mit positiver Ladung. Dieses tripole Ladungstheorie stammt von Simpson (1909) und Wilson (1929) Anfang des 20. Jahrhunderts. Als einfaches Modell kann die Tripol-Theorie immer noch herangezogen werden. In Wirklichkeit ist die Ladungsverteilung aber sehr kompliziert und immer noch nicht ganz verstanden, da sich die Messung der Ladung innerhalb einer Wolke als durchaus schwierig erweist. Daher wird oft immer noch auf das einfache Modell verwiesen, um zu verstehen wie die Ladungsverteilung aussieht und der Ausgleich durch Blitze überhaupt erst entsteht.

Wurde eine entsprechend große Ladungstrennung (es wird auch von Potentialunterschied gesprochen) aufgebaut, können sich Blitze bilden. Die Blitze bestehen dabei aus mehreren Phasen. Zunächst erfolgen stufenweise Vorentladungen. Diese bauen den eigentlich leitenden Blitzkanal auf. Mit einem Sechstel der Lichtgeschwindigkeit pflanzen sich die Vorentladungen um etwa 50 m schrittweise fort. Oft entsteht eine vielfach verzweigte Zickzackbahn. Nach wenigen hundertstel Sekunden (10-20 ms und etwa 100-200 Schritte) wird die nächste Phase eingeleitet, die Hauptentladung. Wenn einer der Zweige sich dem Erdboden auf etwa 100 m genähert hat, dann baut sich vom Erdboden eine sogenannte Fangladung auf. Das sieht so aus, als ob vom Boden her ein Blitz dem entstehenden Blitz entgegen springt. Haben sich diese beiden getroffen, erfolgt die eigentliche Entladung im Hauptkanal, der einen Durchmesser von etwa 12 Millimeter hat und wird dann als Blitz wahrgenommen. Manchmal sind auch die vielen Verzweigungen zu sehen.

Interessanteweise schießt der Blitz nicht vom Himmel herab, sondern die Entladung, also der Stromstoß fließt im Normalfall (85-90%) nach oben zur Wolke. Im Vergleich zur Erde ist die Wolke am unteren Rand nämlich negativ geladen. Und daher fließt der Strom vom Positiven zum negativen Bereich. Die Entladung erfolgt aber nicht unbedingt nur einmal, sondern kann auch in mehreren Stößen ausgeglichen werden. Im Mittel sind es 2 bis 5 Stöße, aber es wurden auch schon bis zu 42 Nachentladungen beobachtet. Da diese so schnell wieder vorbei sind, wird eine einzelne Entladung mit bloßem Auge meist nicht wahrgenommen. Denn diese dauert etwa 30 Mikrosekunden, das sind 0, 000 03 Sekunden, also 4 Nullen hinter dem Komma. Erst bei mehreren Einzelentladungen können wir den Blitz gut erkennen. Manchmal gibt es so viele, dass der Blitz für mehrere Sekunden zu sehen ist. Das erscheint dann wie ein Flackern. Der am längsten andauernde Blitz wurde in Südfrankreich am 30. August 2012 beobachtet. Er hielt ganze 7,74 Sekunden an. Es ist natürlich möglich und auch durchaus wahrscheinlich, dass es Blitze gab, die noch länger bestanden, allerdings wurden diese nicht beobachtet oder dokumentiert. Und so hält weiter der Blitz aus Frankreich den Rekord.

Je nach klimatischen Bedingungen und je nach Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre, erreicht der Blitzkanal unterschiedliche Ausdehnungen in seiner Länge. In Mitteleuropa wird der Blitz etwa 1 bis 3 Kilometer lang. In den USA in Oklahoma erstreckte sich der längste jemals aufgezeichnete Blitz über 321 km! (20. Juni 2007) Das ist ungefähr die Flugstrecke von Berlin nach Bremen! Bei solchen Ausmaßen wird einem die Mächtigkeit von Superzellen in den USA bewusst, die hier in Deutschland keine so große Ausdehnung aufweisen und vergleichsweise eher klein wirken.

Da Blitze auch in der Lage sind, die magnetische Orientierung von Gesteinen zu verändern, muss die Stromstärke etwa 10 000 bis 220 000 Ampere betragen. Die Stromstärke erwärmt den Blitzkanal so stark, dass Temperaturen bis zu 30 000°C entstehen. Damit sind sie fünfmal heißer als die Oberfläche der Sonne oder das Innere unseres Erdkerns. Und daher kommt auch das typische weiß-blaue Licht. Die plötzlich hohen Temperaturen führen zu einer raschen Expansion der Luft, was wir dann als Donner wahrnehmen. Mit jedem Blitz wird die Ladungsdifferenz innerhalb der Wolke, aber auch zum Erdboden weiter abgebaut. Der Blitz hört auf, wenn er nicht mehr genügend Ladung durch den Blitzkanal transportieren kann. Aber auch durch Wind kann es zu einem Ende des Ladungskanals kommen, wenn der Blitzkanal sozusagen "verweht" wurde.

Der gerade beschriebene Blitz bezieht sich auf die gewöhnlichste Erscheinungsform, den Linienblitz. Oft wird auch unterschieden zwischen positiven und negativen Blitzen, Wolke-Wolke-Blitzen, Wolke-Erde-Blitzen oder auch Erde-Wolke Blitzen. Allerdings gibt es neben dem typischen Linienblitz viele weitere wie den Kugelblitz, den Perlschnurblitz, den Blue Jet, den Red Sprite und den Elfen. Einige können nur aus weiter Entfernung zum Gewitter gesehen werden oder sogar vom Weltall aus. Aber das ist Thema für ein anderes mal.

Update (03.07.2020): Die WMO hat neue Rekordwerte für Megaflashes bekannt gegeben. Die größte horizontale Ausdehnung eines Blitzes wurde im Süden Brasiliens am 31. Oktober 2018 mit 709 km erreicht. Das entspricht einer Strecke von London bis Basel. Die längste Dauer eines einzelnen Blitzes wurde in Argentinien am 04. März 2019 gemessen. Der Blitz dauerte 16,73 Sekunden!

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