Blitze

1.1 Die elektrische Ladung der Erde

Die Erde bildet mit der Ionosphäre – eine Schicht der Atmosphäre in ca. 60 km Höhe – einen elektrisch geladenen Kugelkondensator. Die Potenzialdifferenz von ca. 300.000 Volt zwischen dem Erdboden und der Ionosphäre ist Ursache für die so genannte „Schönwetterfeldstärke" von 120 V/m an der Erdoberfläche. Wie der Name sagt, ist diese elektrische Gleichfeldstärke auch bei Schönwetter vorhanden.

Dieser riesige Kondensator würde sich ohne ständiges Nachladen in kürzester Zeit (weniger als einer Stunde) entladen, da die Atmosphäre – die Schicht zwischen der positiv geladenen Ionosphäre und der negativ geladenen Erdoberfläche – kein perfekter Isolator ist. Die weltweit aktiven Gewitter sind der elektrische Generator, der diesen Kugelkondensator ständig nachlädt.

1.2 Wie entstehen Gewitter?

Voraussetzung für die Bildung von Gewitterwolken ist, dass feuchte, warme Luftmassen in große Höhen transportiert werden. Warme Luft ist leichter als kalte Luft (deshalb fährt ein Heißluftballon). Mit zunehmender Höhe sinken die Temperatur und der Druck ab. In einer "stabilen Luftschicht" herrscht eine Temperaturabnahme von weniger als 1° C pro 100 m Höhenzunahme – in einer so genannten "labilen Luftschicht" nimmt die Temperatur um mehr als 1° C pro 100 m ab. Durch die Druckabnahme expandiert die feuchte Luft und diese Expansion hat eine Abkühlung zur Folge. Damit das "Paket" warmer Luft immer weiter nach oben steigt, muss es immer leichter (d. h. wärmer) bleiben als die Umgebung.

Das bedeutet, die Temperatur der Umgebung muss mit der Höhe rascher abnehmen, als die Temperatur der feuchten Luft durch Expansion absinkt. Durch das Auskondensieren der Feuchtigkeit (Quellwolkenbildung) wird Wärme freigesetzt, weshalb die aufsteigende Luftmasse langsamer abkühlt. Nur bei Vorhandensein dieses "labilen" Zustandes der Atmosphäre kommt es zur Gewitterbildung.

1.3 Gibt es verschiedene Arten von Gewittern?

Als Auslöser für den vertikalen Transport feuchter Luftmassen kommen grundsätzlich drei Mechanismen in Frage, wobei anzumerken ist, dass je nach Wetterlage und Region häufig eine Kombination der einzelnen Mechanismen zum Tragen kommt:

• 1. Sonneneinstrahlung heizt die Luft auf und diese beginnt aufzusteigen, was als Konvektion bezeichnet wird. Das Resultat sind die lokalen Wärmegewitter. Eine Gewitterzelle mit einer Ausdehnung von einigen Kilometern hat eine Gesamtlebensdauer von ca. 1 Stunde, wovon 15 - 30 Minuten Blitzaktivität zu beobachten ist.
• 2. Hereindringende Kaltluftmassen (schwerer als die warme feuchte Luft) schieben sich wie ein Keil unter die feuchte Luft und heben diese an – dies führt zu großräumig ausgedehnten FRONTGEWITTERN. Diese sind oft linienförmig organisiert und bestehen aus einer fortlaufenden Abfolge von Lebenszyklen einzelner Gewitterzellen.

• 3. So genannte OROGRAFISCHE GEWITTER haben Ihren Ursprung im Anheben der feuchten Luftmassen, wenn die Luftströmung diese über ansteigendes Gelände transportiert. Durch den Geländeanstieg werden diese zwangsweise angehoben und entsprechend abgekühlt.

1.4 Wie laden sich Gewitterwolken elektrisch auf?

Die genauen Vorgänge, die zur elektrischen Aufladung einer Gewitterwolke führen, sind bis heute nicht vollständig geklärt. In der Fachliteratur ist eine Vielzahl von Hypothesen zu diesem Thema zu finden. Grundsätzlich ist zwischen einer "mikroskopischen Ladungstrennung" und einer "makroskopischen Ladungstrennung" zu unterscheiden.

• 1. Die mikroskopische Ladungstrennung: Die Erzeugung von elektrisch positiv oder negativ geladenen Partikeln in der Wolke dürfte primär durch den Zusammenstoß von Eiskörnern (Graupel) und Wassertropfen erfolgen. Innerhalb der Gewitterwolke herrschen Aufwinde mit Geschwindigkeiten von über 100 km/h. Die leichten kleinen Wassertröpfchen werden von den Aufwinden nach oben getragen, während die schweren Eiskristalle oder Graupel aus den Zonen mit Temperaturen von -30° C bis -50° C nach unten fallen und mit den Wassertröpfchen zusammenstoßen.

• 2. Die makroskopische Ladungstrennung: Wieso letztendlich der Großteil der positiv geladenen Wassertröpfchen im oberen Bereich (8-12 km) der Gewitterwolke landet und die negativ geladenen Partikel im unteren Bereich (3-6 km Höhe), ist eine nicht gänzlich geklärte Frage. In den einzelnen Hypothesen spielen Gravitation, Erdmagnetfeld, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur, Teilchengröße, Teilchenladung und Gewicht etc. mehr oder weniger wichtige Rollen.

1.5 Die elektrische Ladungsverteilung in einer Gewitterwolke

Lange Zeit wurde die klassische Gewitterwolke mit einer Dipol-ähnlichen Ladungsstruktur dargestellt. Dabei geht man von einer positiven Ladungszone im oberen Bereich (6-12 km) und einer negativen Ladungszone im unteren Bereich der Wolke aus. Zusätzlich wurde eine schwach positiv geladene Schicht im untersten Bereich der Gewitterwolke beobachtet.

Große Messkampagnen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die Ladungsstruktur einzelner Gewitterwolken scheinbar viel komplexer sind, als bisher angenommen. Zusätzliche Ladungsschichten, sowie einzelne vollständig invertierte Ladungsverteilungen (pos. unten und neg. oben), wurden beobachtet.

1.6 Was wollte Benjamin Franklin mit seinem Drachenflug zeigen?

Mitte des 18. Jahrhunderts war jene Zeit, in der die Wissenschaft erste Fortschritte in der Ergründung des Phänomens "Elektrizität" machte. Man benutzte bereits Elektrisiermaschinen, Kondensatoren (Lydener Flaschen) usw. B. Franklin wollte den Nachweis erbringen, dass Gewitterwolken elektrisch geladen sind und daher die Blitze ein Phänomen der Elektrizität sind. Im Jahr 1752 ließ B. Franklin seinen berühmten Drachen während eines Gewitters steigen. Er konnte einen mehrere Zentimeter langen elektrischen Funken zwischen seinen Fingerknöcheln und einem Schlüssel erzeugen, der am Ende der elektrisch leitenden Drachenschnur befestigt war

Damit war klar, dass Gewitter eine Erscheinungsform elektrischer Ladungsvorgänge sind. Die Wiederholung dieses Drachenexperimentes kostete in der Folge mehrere Menschen das Leben. Schlägt nämlich ein Blitz in die leitende Drachenschnur ein, bedeutet dies mit hoher Wahrscheinlichkeit den Tod des Drachenfliegers.

1.7 Warum gibt es Blitze?

Beim Aufbau einer Gewitterwolke wird mehr und mehr elektrische Ladung in der Wolke angesammelt. Daraus resultierend tritt eine elektrische Feldstärke auf, ähnlich der Feldstärke zwischen der pos. und neg. geladenen Elektrode eines Kondensators. Unter einer Gewitterwolke wird am Boden eine Feldstärke zwischen 5 kV/m und 10 kV/m gemessen.

Übersteigt die lokale Feldstärke in der Wolke lokal die sog. "Durchbruchsfestigkeit" der Luft, kommt es in Form eines großen elektrischen Funkens, dem Blitz, zum Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Ladungszentren innerhalb der Wolke (Wolke-Wolke-Blitze) oder der Wolke und der Erde (Wolke-Erde-Blitze).

1.8 Was ist Wetterleuchten?

Wetterleuchten ist ein Begriff für die Erscheinungen, wenn Gewitter aus größerer Entfernung beobachtet werden. Im Vergleich zum Donner, der in der Regel nur bis zu Entfernungen von 10 - 20 km zu hören ist, können Blitze vor allem bei Nacht auf Distanzen von bis zu 100 km beobachtet werden

Die Blitze innerhalb der Gewitterwolke führen oftmals zu einem großflächigen Aufleuchten des gesamten Wolkenturmes, ohne dass der schmale Blitzkanal selbst erkennbar wäre.

2.1 Welche Arten von Blitzen gibt es?

Blitze werden nach mehreren Kriterien unterschieden:

• 1. Wolke-Wolke-Blitze und Wolke-Erde-Blitze: Durchschnittlich geht nur ca. 1/3 aller Blitzentladungen zur Erde. Die Mehrzahl der Blitze findet innerhalb der Wolke statt (Intra-Cloud Lightning) oder geht von einer Gewitterwolke zur nächsten (Inter-Cloud Lightning)
• 2. Abwärts- und Aufwärts-Blitze (zur und von der Erde): Die sichtbare Blitzentladung (Return Stroke) wird durch einen sogenannten Leitblitz (Leader) vorbereitet. Bei fast allen Blitzen startet der Leitblitz in der Wolke und wächst in Ruckstufen von 50 - 200 m in Richtung Erde vor (Abwärtsblitz). Zu erkennen sind diese Blitze an den nach unten gerichteten Verästelungen.
• 3. In Sonderfällen (z. B. hohe Türme auf Bergen) startet der Leitblitz an der Turmspitze und wächst aufwärts in die Gewitterwolke hinein (Aufwärtsblitz) – auf Bildern erkennbar an den nach oben gerichteten Verästelungen.

• 4. Positive und negative Blitze: Von einem positiven Blitz spricht man, wenn pos. Ladung aus der Wolke zur Erde abtransportiert wird, was bei ca. 10 % der Blitze der Fall ist. 90 % der Wolke-Erde-Blitze transportieren negative Ladung zur Erde ab. Der Anteil an pos. Blitzen ist in der kalten Jahreszeit höher als im Hochsommer. Optisch sind diese beiden Blitztypen nicht zu unterscheiden.
• 5. Sprites, Jets, Elves: Bei diesen erst in den letzten Jahren entdeckten "Blitzen" handelt es sich um verschiedene elektrische Entladungserscheinungen von der Gewitterwolke in Richtung Ionosphäre. Diese Erscheinungen wurden erstmals von der Besatzung eines Space-Shuttle Fluges beobachtet und dokumentiert. Eine Reihe von Experimenten in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass diese Entladungsformen häufig gemeinsam mit stromstarken positiven Blitzen zur Erde auftreten.

2.2 Warum leuchtet der Blitz?

Der Stromfluss im Blitzkanal heizt die Luft auf ca. 30.000°C auf und führt zur vollständigen Ionisation der Luft.

Ähnlich dem Lichtbogen beim Elektroschweißen wird vom Blitzkanal Licht ausgesendet.

2.3  Warum sind Blitze nicht gerade?

Die genauen Gründe für die fallweise sehr bizarren Erscheinungsformen von Blitzen sind noch unklar. Sind manche Blitze nahezu vertikal und geradlinig, zeigen andere Blitze eine Vielzahl von Richtungsänderungen auf ihrem Weg zwischen Wolke und Erde.

Der genaue Weg des Leitblitzes von der Wolke zur Erde wir wahrscheinlich durch mehrere Faktoren, wie lokalen Raumladungszonen oder Leitfähigkeitsunterschieden in der Luft, beeinflusst.

2.5 Wie kann man Blitze orten?

Blitze sind wie eine große Sendeantenne, die einen kurzzeitigen Feldimpuls aussenden. Sichtbar und hörbar ist dies in Form eines kurzen Flimmerns des Fernsehbildes bzw. eines Knackgeräusches im Radioempfang, wenn das Gewitter nur einige 10 km entfernt ist.

Durch Richtungspeilung, d. h. Bestimmung des Einfallswinkels und Einschneiden der Richtungsgeraden oder durch Auswertung der Laufzeitdifferenzen können einzelne Blitze heute mit einer Genauigkeit von einigen 100 m geortet werden. Die heute modernsten Ortungssysteme sind in der Lage, den gesamten Blitzkanal einer Entladung in seiner vertikalen und horizontalen Ausdehnung zu rekonstruieren.

2.6 Wie viel Blitze gibt es?

Über die weltweite Blitzaktivität gibt es nur grobe Schätzungen, da keine flächendeckenden Messsysteme vorhanden sind. In der Fachliteratur findet man Werte von weltweit durchschnittlich 2000 Gewittern, die pro Sekunde im Mittel 30 - 100 Blitze zur Erde produzieren. Die meisten Gewitter gibt es in den tropischen und subtropischen Regionen. Auswertungen von Satellitenbeobachtungen der NASA haben gezeigt, dass die Gewitteraktivität praktisch auf die Kontinentalmassen begrenzt ist und vergleichsweise wenig Gewitter über den Ozeanen stattfinden.

Als Maß zur Beschreibung der lokalen Blitzhäufigkeit wird die sogenannte Blitzdichte verwendet. Dies ist die durchschnittliche Zahl der Blitzschläge pro Quadratkilometer und Jahr. In Österreich liegt dieser Wert im Bereich von 1 - 6 Blitzen pro km2 / Jahr.

2.7 Welche Stromstärke haben Blitze?

Blitzströme sind Impulsströme mit Amplituden zwischen 2000 Ampere (2 kA) und 300.000 Ampere (300 kA).

Die Mehrzahl der Blitze hat Amplituden in der Größenordnung von 10 kA bis 30 kA. Die stromstärksten Blitze sind in der Regel positive Blitze.

2.8 Gibt es Blitznester?

Dieser vor allem in älteren Büchern zu findende Begriff der "Blitznester" wurde zur Klassifizierung kleiner Gebiete mit einer außergewöhnlichen Blitzhäufigkeit verwendet. Des Öfteren wurde dies auch mit geologischen Strukturen, erhöhter Radioaktivität oder sog. "Erdstrahlen" in Zusammenhang gebracht.

Auf Basis der Daten von modernen Blitzortungssystemen durchgeführte Auswertungen konnten bisher keinen Hinweis auf die Existenz solcher Blitznester liefern.

2.9 Wie lange dauert ein Blitz?

Ein Blitz besteht häufig aus einer raschen Abfolge von mehreren Entladungen in ein und demselben Blitzkanal. Bis zu 20 und mehr solcher Folgeblitze können innerhalb von einer Sekunde auftreten. Bei größerer Anzahl der Folgeblitze zeigt der Blitzkanal ein deutliches Flackern, das auch mit freiem Auge erkennbar ist.

Die Stromflussdauer eines einzelnen Impulses liegt bei wenigen 100 millionstel Sekunden. Die Pause zwischen zwei Folgeblitzen beträgt zwischen einigen Millisekunden und einigen 100 Millisekunden.

2.10 Geht der Blitz von der Wolke zur Erde oder umgekehrt?

Im Grunde genommen beides. Der mit freiem Auge nicht sichtbare Leitblitz, der die verästelte Struktur des Blitzes vorbereitet, geht bei den am häufigsten auftretenden Abwärtsblitzen von der Wolke zur Erde. Die dem Leitblitz folgende Hauptentladung, die zum hellen Aufleuchten des Blitzkanals und zum Donner führt, läuft von der Erde zur Wolke.

Bei den sehr seltenen Aufwärtsblitzen ist dies genau umgekehrt. Der Leitblitz wächst von der Erde in Richtung Wolke und die Hauptentladung von der Wolke zur Erde.

2.11 Kann man aus Blitzen Energie gewinnen?

Der Energieinhalt eines Blitzes wird vielfach überschätzt und der Blitz stellt keine praktikable Energiequelle dar. Das enorme Zerstörungspotenzial eines Blitzes rührt daher, dass beim Einschlag diese Energie in extrem kurzer Zeit (oft weniger als eine tausendstel Sekunde) umgesetzt wird – physikalisch ausgedrückt ist die Leistung in dieser kurzen Zeit sehr groß. Würde man die Energie eines Blitzes langsam und gleichmäßig über einen Zeitraum von mehreren Stunden verbrauchen, wäre die erzielbare Leistung relativ gering. Bei einem Blitz wird eine Energiemenge von einigen 100 kWh umgesetzt – dies reicht gerade, um eine 100-W-Glühbirne mehrere Monate lang durchgehend zu betreiben.

Dabei ist noch zu beachten, dass der Großteil dieser Energie bereits im Blitzkanal in Wärme, Licht und elektromagnetische Wellen umgesetzt wird und damit für eine praktische Nutzung nicht mehr zugänglich ist. Nur ein kleiner Rest, man schätzt ca. 1/100 - 1/1000 der Gesamtenergie, steht am Einschlagsort selbst noch zur Verfügung. Selbst wenn die Energiemenge eines Blitzes für eine Nutzung praktikabel wäre, stellt sich noch immer das Problem des Einsammelns dieser Energie. Im Durchschnitt schlagen 1 - 5 Blitze pro km2 und Jahr in Österreich ein. Für den Dauerbetrieb mehrerer Glühlampen müsste das Land mit einer Vielzahl hoher Türme zum "Einfangen" der Blitze überzogen werden.

2.12 Gibt es auch Blitze ohne Donner?

Der Donner ist das Resultat des Druckausgleiches zwischen dem rasch erhitzten Blitzkanal – die Erwärmung führt zu einem Überdruck im Kanal – und der umgebenden Luftmasse.

Es gibt vereinzelt Berichte über Blitze, bei denen scheinbar auch in der näheren Umgebung kein bzw. nur ein sehr schwaches Donnergeräusch wahrgenommen wurde.

Die Lautstärke eines Donners hängt auf jeden Fall mit der im Blitzkanal umgesetzten Energie und damit mit der Blitzstromstärke zusammen. Blitze haben Amplituden von 2kA bis 300 kA und sind daher schon aus diesem Grund nicht alle gleich laut.

Die Wahrnehmung von scheinbar lautlosen Blitzen könnte das Resultat eines zu großen Abstandes zwischen Beobachter und Blitzkanal sein oder es wurden besonders stromschwache Blitze beobachtet. Speziell bei den eher seltenen Aufwärtsblitzen, die an sehr hohen Objekten (z. B. Sendemasten) auftreten können, wurden sehr geringe, sich vergleichsweise langsam ändernde Ströme gemessen. Diese Aufwärtsblitze sind daher auch nicht mit dem üblichen lauten Donnerknall verbunden.

3.1 Wie viele Menschen werden vom Blitz getötet oder verletzt?

In Österreich werden im langjährigen Durchschnitt 2 - 3 Menschen pro Jahr vom Blitz getötet. Vor einigen Jahrzehnten war diese Zahl noch deutlich höher. Ein wesentlicher Grund dafür sind die Veränderungen der Arbeitsabläufe in der Landwirtschaft.

Waren früher während der Sommerzeit in der Landwirtschaft viele Menschen praktisch ungeschützt auf den Feldern tätig, wird diese Arbeit heute von deutlich weniger Personen meist mit Traktoren oder anderen Landmaschinen erledigt. Haben diese Landmaschinen, wie heute üblich, ein entsprechendes metallenes Schutzdach, so bieten diese ähnlich einem Auto einen guten Schutz der Person bei Gewitter.

3.2 Das Sekundenzählen zwischen Blitz und Donner zur Bestimmung der Entfernung

Der Donner breitet sich als Schallwellen mit einer Geschwindigkeit von 330 Meter pro Sekunde aus. Im Vergleich dazu hat Licht eine Geschwindigkeit von 300.000 km/s. Schlägt zum Beispiel ein Blitz in 5 km Entfernung ein, erreicht das Licht praktisch ohne merkbare Verzögerung (genau nach 0,000017 Sekunden) den Beobachter. Der vergleichsweise langsame Donner trifft erst mit ca. 15 Sekunden Verspätung beim 5 km entfernten Beobachter ein. Daraus wird die bekannte Zählregel abgeleitet: Zähle die Sekunden, die zwischen dem Lichtblitz und dem Donner vergehen. Dividiere diese Zahl durch 3 und das Ergebnis entspricht ungefähr der Entfernung des Blitzes in Kilometer. Weil die Druckwelle der einzelnen Teile des Blitzkanals mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen beim Betrachter ankommt, entsteht das typische, in die Länge gezogene Donnergrollen.

Trifft z. B. die bodennahe Druckwelle eines 660 Meter entfernten Blitzes genau nach 2 Sekunden bei einem Beobachter ein, braucht die Druckwelle, die von einem Segment desselben Blitzkanals in 2 km Höhe ausgeht, bereits mehr als 6 Sekunden bis zum Beobachter. Ein weiterer Grund für das vielfältige Erscheinungsbild des Donners sind die mehr oder weniger vorhandenen Verästelungen des Blitzkanals und die verschiedenen Richtungsänderungen des Kanals. In allen Segmenten entsteht die Druckwelle praktisch gleichzeitig, der Weg bis zum Beobachter und damit die Laufzeit der Druckwelle kann aber sehr unterschiedlich sein.

3.3 Wie funktioniert eine Blitzschutzanlage?

Der Blitz stellt einen Stromfuß zwischen Wolke und Erde dar. Schlägt der Blitz z. B. in ein Hausdach ein, so fließt der Strom das letzte Stück vom Dach des Hauses zur Erde über das Gebäude, wobei dazu natürlich elektrisch leitende Einbauten wie Wasser- und Heizungsrohre oder die Elektroinstallation bevorzugt herangezogen werden. Auf seinem Weg vom Dach zur Erde richtet der Blitz entsprechende Schäden an – Elektroleitungen werden aus der Wand gerissen und im schlimmsten Fall wird das Haus in Brand gesetzt. Eine Blitzschutzanlage besteht aus Fangleitungen am Dach, die mit sogenannten Ableitungen mit der Erdung verbunden sind.

Der Blitz trifft dann die Fangleitung am Dach und der große Blitzstrom wird über die Ableitungen direkt in die Erde geleitet, ohne dabei Schaden am Haus anzurichten. Eine Blitzschutzanlage verhindert also nicht den Blitzeinschlag in ein Haus, sondern diese bietet dem Blitz einen vorgegebenen Weg zur Erde an. Eine solche "äußere" Blitzschutzanlage verhindert nicht, dass bei einem direkten Einschlag Schäden an empfindlichen Elektrogeräten auftreten. Zum Schutz der elektrischen Geräte müssen zusätzlich entsprechende Überspannungsableiter eingebaut werden.

3.4 Warum soll man sich bei Gewitter mit geschlossenen Beinen hinhocken?

Wird man im Freien von einem Gewitter überrascht und hat keine Möglichkeit, rechtzeitig einen geschützten Bereich (z. B. Haus, Auto) aufzusuchen, gilt es grundsätzlich zwei Gefahren zu reduzieren.

• (1) Hinhocken, damit man nicht über die umgebenden Objekte im Umkreis von einigen zehn Metern hinausragt. Ein Leitblitz, der sich von der Wolke kommend dem Boden nähert, schlägt bevorzugt in das höchste Objekt ein.

• (2) Sollte der Blitz in unmittelbarer Umgebung einschlagen, breitet sich der Strom in der Erde in alle Richtungen aus. Die Verteilung des Stromes hängt sehr von der lokalen Bodenleitfähigkeit und natürlich auch von der Stromstärke des Blitzes selbst ab. Durch den Stromfluss im Boden tritt ein sogenannter Spannungstrichter auf. Steht man zufällig mit beiden Beinen so, dass man unterschiedliche Spannungen am Boden abgreift, fließt ein Teil des Blitzstromes über die Füße bzw. den Körper (siehe Abbildung). Durch diesen Stromfluss kann es zu schlagartigen, unkontrollierten Muskelkontraktionen kommen, die dazu führen, dass betroffene Personen weggeschleudert werden.

Je enger die Füße zusammen am Boden stehen, desto geringer ist die Gefahr, dass gefährliche "Schrittspannungen" abgegriffen werden.