Gewitter - Was ist das?

Hier finden Sie Kurzinformationen zu den Kernthemen unseres Aufgabengebietes Blitzschutz:

Gewitter-Telegramm

    Was ist das?........ elektrostatische Entladung
    Blitzkanal? .......... Durchmesser bis 12 mm
    Blitzdauer? ......... die Hauptentladung dauert nur 0.0004 s
    Stärke? ............... 20.000 bis zu 300.000 Ampère
    Spannung? ......... 20 – 100 Millionen Volt
    Blitzlänge? .......... 1 - 3 km, Wolkenblitze bis 140 km
    Donner? .............. Lufterhitzung auf 30.000 °C
    Häufigkeit? .......... 2 Millionen Blitze pro Jahr (BRD)
    Schäden? ........... mehrere Millionen EUR jährlich (BRD)

Gewitter entstehen aus dem Zusammenspiel der 4 Elemente unseres Planeten. Wasser ist der Energieträger eines Gewitters, die Luft sorgt für die Dynamik, Erde in Form von Staub hilft Regen zu bilden und das Feuer, die Energie der Sonne, treibt das Gewitter an. Donner und Blitz zeigen in ihrer ehrfurchtgebietenden Schönheit das unvergleichliche Zusammenspiel elementarer Kräfte.

Isokeraunischer Pegel

Ein Maß für die Gewitterhäufigkeit in einem Gebiet ist der Isokeraunischer Pegel. In der Meteorologie ist der Isokeraunischer Pegel ein Maß für die Gewitterhäufigkeit in einem Gebiet. Er gibt die Anzahl der Gewittertage pro Jahr an, wobei ein Gewittertag definiert ist als ein Tag, an dem auf der

Beobachtungsstation mindestens ein Donner gehört wird.

Entstehung von Gewittern

Kalte und warme Luftschichten bewegen sich in Wolken auf- und abwärts. Durch das aneinander Vorbeiströmen entstehen ionisierte Partikel positiver und negativer Ladung. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Der Übergang zwischen positiven und negativen Ladungen findet normalerweise in einer Höhe statt, in der die Temperatur zwischen -10°C und -15°C beträgt. Dort findet auch der Übergang zwischen Wassertropfen und Eiskristallen statt, was nahe legt, dass eine Wolke im oberen Bereich vereisen Muss, damit Blitze entstehen können. Daneben werden oft positive Ladungen in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen. Wenn der Spannungsunterschied zwischen den
verschiedenen Teilen des Cumulonimbus groß genug wird, kann es zu einem Blitz kommen.

Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke

Ein Blitz ist ein Lichtbogen infolge einer explosionsartigen, elektrostatischen Entladung innerhalb einer Wolke (Wolkenblitz) oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke (Erdblitz). Für Blitze zwischen Wolke und Erde Muss der Spannungsunterschied einige 10 Millionen Volt betragen. In feuchter Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer Feldstärke von ca. 1 Million Volt pro Meter. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen. Die Luft muss zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.

Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation

Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind (Erdblitze). Dadurch wird ein Blitzkanalgeschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stoßionisation gebildet. Der meist nicht sichtbare, ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar Richtung Erdboden gerichtet, variieren aber alle paar Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Linienblitzes zu Stande. Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen, geht dann vom Boden aus eine Fangentladung zur Wolke, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meist bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Häusern, Masten oder Kirchtürmen) auf, welche sich von der Umgebung abheben. Die Fangentladung trifft häufig, aber nicht immer mit den Vorentladungen zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal zwischen Wolke und Erdboden. Dieser Blitzkanal weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann die Hauptentladung, welche sehr hell ist und von uns als Blitz wahrgenommen wird. Obwohl Blitze zu den am längsten studierten Naturphänomenen gehören, sind die der natürlichen Blitzentstehung zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten bis heute noch nicht zweifelsfrei erforscht. Klar ist jedoch, dass eine Blitzentladung deutlich komplexer als eine reine Funkenentladung ist. Das Leuchten des Blitzes wird durch Plasma verursacht. Als Plasma (gr: das Geformte, das Gebilde) bezeichnet man in der Physik ein (teilweise) ionisiertes Gas, das zu einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält. Mehr als 99 % der sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Der Begriff Plasma geht auf Irving Langmuir (1928) zurück. Der Plasmazustand wird als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Die Theorie zur Beschreibung eines Plasmas als ein leitendes Gas ist die Magnetohydrodynamik.

Wolke-Erde-Blitz

Ein unsichtbarer Tentakel aus ionisierter Luft (Leader) schiebt sich ruckartig in Schritten von 10-60 m Länge mit etwa 300 km/h aus der geladenen Wolke zur Erde. Bei Kontakt zur polar geladenen Erde zündet der Blitz von der Erdoberfläche in die Wolke. Abwärtsblitze sind die häufigste Blitzform und verursachen max. Schäden, 9 von 10 Blitzen sind negative Abwärtsblitze.

Erde-Wolke-Blitz

Aufwärtsblitze entstehen bei sehr hohen Objekten, der Leader bewegt sich hier von der Erde zur Wolke. Das exponierte Objekt ragt sozusagen in das elektrische Feld der Wolke hinein und wirkt so wie eine Antenne.

Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen

Im Durchschnitt bilden 4-5 Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0.01 s, die Hauptentladung dauert nur 0.0004 s. Nach einer Erholungspause zwischen 0.03 s und 0.05 s erfolgt eine neue Entladung. Es wurden schon bis zu 42 aufeinander folgende Entladungen beobachtet. Dadurch kommt das Flackern eines Blitzes zu Stande, welches man mit bloßem Auge erkennen kann. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20.000 Ampere. Bei den Vorentladungen wird der Erdoberfläche meist negative Ladung zugeführt und bei den Hauptentladungen wird der Atmosphäre meist positive Ladung zugeführt. Dies entspricht einem elektrischen Strom von der Erdoberfläche zur Atmosphäre. In
seltenen Fällen wird positive Ladung der Erdoberfläche zugeführt. Man spricht dann von einem positiven Erdblitz. Bei positiver Blitzen treten besonders intensive Entladungen auf, ihre Hauptentladung hält auch deutlich länger an, als beim Negativblitz.

Länge eines Blitzes

Die durchschnittliche Länge eines Erdblitzes beträgt in mittleren Breiten 1 bis 2 km, in den Tropen 2 bis 3 km. Ein Wolkenblitz ist ca. 5 bis 7 Kilometer lang, es wurden aber mittels Blitzradar auch schon Längen (in Wolken) von 140 km bestimmt.

Entstehung des Donners

Um den Blitzkanal herum wird die Luft schlagartig auf bis zu 30'000°C erhitzt. Dies führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, wodurch der Knall des Donners hervorgerufen wird. Da der Schall im Gegensatz zum Licht (ca. 300'000 km/s) nur eine Geschwindigkeit von 332 m/s (bei 0 °C) aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zu Stande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem gedehnteren und weniger scharf polternden Schall begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.

Blitzhäufigkeit

Die allgemeine Blitzhäufigkeit liegt in Deutschland bei 0,5 bis 10 Einschlägen pro km² und Jahr, d.h. bei über 2 Millionen Blitzen pro Jahr. Zudem gibt es in Großstädten mehr Blitze, was vermutlich mit der Luftverschmutzung und der Lufttemperatur zusammen hängt. In Österreich schwankt die seit 1992
registrierte Zahl zwischen 104.000 und 222.000, davon allerdings 70% in der südöstlichen Landeshälfte und nur 10 % im alpinen Tirol. Die bisherige Regel, dass im Gebirge mehr Blitze auftreten, dürfte also nicht überall gelten. Weltweit gibt es etwa 2.000 bis 3.000 Gewitter, was auf der gesamten Erde täglich 10 bis 30 Millionen Blitze ergibt. Das sind über 100 Blitze in jeder Sekunde.

Doch nur 10 % aller Blitze schlagen in den Boden ein. Am Ort des Einschlags können sie Temperaturen von mehreren 1000° Celsiuserzeugen. Am häufigsten blitzt es in Deutschland im Schwarzwald, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen.

Quellen: DEHN & Söhne, Gewitter von Alex Hermant im Delius Klasing Verlag, Wikipedia