Gewitter – Blitze

(Gesundheitlicher Hinweis: Weiter unten im Beitrag teils stark flackernde Animationen!)

 

Einleitung:

Bevor wir zu den Blitzen kommen, füge ich hier nochmal einen kurzen Teil der Gewitterentstehung ein, der selbstverständlich auch für die Blitze (in Verbindung mit Gewittern) zwingend notwendig ist. Ohne Wolke ist logischerweise auch kein Gewitter möglich. Grundzutat für die Wolkenbildung ist aufsteigender Wasserdampf. Wir stellen uns einen warmen sonnigen Tag vor in dessen Nacht die Luftfeuchtigkeit erhöht war und wir morgens Tau auf den Pflanzen und anderen Objekten erblicken können. Mit dem (wunderschönen) Sonnenaufgang steigt nun auch die Lufttemperatur an und auch die Sonne scheint nun auf den Boden und erwärmt diesen und die Luft darüber. Dieser Vorgang führt dazu, dass das Wasser von den Pflanzen und anderen Objekten verdunstet. Der feuchtwarme gasförmige Wasserdampf steigt dann in die Höhe auf. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen wird die Luft mit der Höhe dann kälter sodass der Wasserdampf sich irgendwann in kleine Wassertropfen umwandelt. Dabei wird Wärme freigesetzt welche das weitere Ansteigen anfacht. Dieser Prozess wiederholt sich dann ähnlich beim weiteren Aufsteigen da durch die Tröpfchenbildung immer wieder Wärme freigesetzt wird. Da warme Luft leichter als die umliegende Luft ist, steigt diese erneut / weiter auf. Ansammlungen von Wassertröpfchen bilden dann Wolken. Die Wolke wird dann immer mächtiger und dient als Basis, für die danach mögliche Gewitterentwicklung.

Innerhalb einer solchen Wolke findet man unter unterschiedliche Raumladungen, also positive und auch negative Ladungen. Aber auch bei schönem Wetter findet man in der Atmosphäre immer ein elektrisches Feld, welches besonders vom Erdboden bis in die Elektrosphäre auf gut 50 km reicht. Der negative Pol dieses permanent vorhandenen elektrischen Feldes ist dabei der Erdboden während weiter oben die positiven Pole deutlich in der Überzahl sind. Auch bei schönem Wetter findet somit ein Ladungsaustauch statt, der natürlich im Vergleich sehr schwach ist sodass wir diesen nicht bemerken. Bilden sich dann mächtigere Wolken die Gewitter ermöglichen, findet in diesen eine sogenannte Ladungstrennung statt. Diese Ladungstrennung ist begründet durch die Kollisionen und Wechselwirkungen zwischen Eis- und Wasserteilchen. Einfach gesagt ergibt sich aus diesen Prozessen, dass die kleinen Eisteilchen positiv geladen sind und die größeren Niederschlagsteilchen negativ geladen. Die kleinen Eisteilchen sind leichter, wodurch sich diese in den oberen Teil der Wolke verlagern (unterstützt durch den starken vertikalen Aufwind) und die größeren Niederschlagsteilchen schwerer. Somit bleiben diese im unteren Teil der Wolke und wir haben eine Ladungsverteilung mit negativ geladenen Teilchen im unteren Teil (negatives Ladungszentrum) und dagegen positiv geladenen Teilchen (positives Ladezentrum) im oberen Teil der Gewitterwolke. Wichtig ist zudem die Feststellung, dass das negative Ladungszentrum im unteren Teil der Wolke einem positiven Ladungszentrum an der Erdoberfläche gegenübersteht. Das elektrische Feld zwischen der Gewitterwolke sowie dem Erdboden gilt es dann als nächstes zu betrachten. 

 

 

Leitblitz:

Überschreitet die oben genannte Feldstärke einen kritischen Punkt, beginnt von der Wolke die Entwicklung des sogenannten Leitblitzes in Richtung Erdboden. Dieser beinhaltet negative Ladungsträger die sich nun also auf die Erde zubewegen. Dabei erreicht der Leitblitz eine mittlere Geschwindigkeit von gut 1/20 der Lichtgeschwindigkeit und er hinterlässt einen dünnen sowie ionisierten Kanal, den man allerdings kaum sehen kann. Hierbei entstehen übrigens auch schon die typischen Verästelungen der Blitze, wie man sie auf Fotos oder auch manchmal mit dem bloßen Auge sehen kann. Dieser erzeugte Blitzkanal wird dabei übrigens vom Hauptblitz genutzt.

Nähert sich der Leitblitz nun zunehmend dem Erdboden, sammeln sich in Erdbodennähe mehr und mehr positive Ladungsträger wodurch sich die lokale Feldstärke erhöht. Übersteigt diese lokale Feldstärke dann ebenfalls einen kritischen Wert, geht dem Leitblitz von Erdbodennähe eine sogenannte Fangentladung entgegen. Diese hat ihren Ursprung oftmals an höhergelegenen Punkten wie Bäumen, Masten oder Hausdächern, da hier höhere Feldstärken erreicht werden können als dies am Erdboden der Fall ist.

 

 

Hauptblitz:

Voraussetzung für den Hauptblitz ist der geschlossene Blitzkanal von der Wolke bis zum Boden, wodurch der Energieaustausch stattfinden kann. Durch die Ionisierung des Blitzkanals zuvor, verursacht mittels des Leitblitzes, erhitzt sich der Kanal und die Leitfähigkeit erhöht sich. Da dadurch auch der Strom verstärkt wird, bleibt der Kanal auf eine vergleichsweise geringe Ausdehnung konzentriert wodurch sich in diesem besonders im zentralen Bereich teilweise Temperaturen von bis zu 30.000°C entwickeln können. Die sich verstärkende Stromstärke kann dabei in seltenen Fällen bis zu 1.000 kA erreichen. Durch diese extreme Erhitzung dehnt sich das erhitzte Plasma im Blitzkanal explosionsartig mittels Druckwelle aus, von dieser dann Schallwellen ausgehen. Diese sind für uns als Donner hörbar. Durch die erzeugte Hitze verdunstet dabei Wasser, was wiederum zu einer Abkühlung führt (adiabatische Abkühlung) und wodurch die Leitfähigkeit wieder zurückgeht.

Die Hauptentladung dauert dabei in der Regel nur wenige Mikrosekunden, kann in manchen Fällen auch einige Millisekunden fließen. Dies ist natürlich abhängig von den vorhandenen Teilchen und der Stabilität des Blitzkanals. Oftmals bestehen Hauptblitze aus mehreren Hauptentladungen, welche den gleichen Kanal des ersten Blitzes nehmen. Die Zeit zwischen den einzelnen Entladungen ist dabei mit 50-100 Millisekunden und bildet dabei das Flackern des Blitzes, welches wir auch visuell gut wahrnehmen können. Bezüglich der Ladungsverteilung kommt es meist zu negativen Wolke-Erde Blitzen. Damit verbleiben folglich nach dem Gewitter und Wolkenauflösung mehr positive Ladungsträger in der oberen Troposphäre.

 

 

Verhalten von Blitzen:

Wie bereits zuvor erwähnt, geht meist die entgegengehende Fangladung für den Leitblitz, also die Basis für den späteren Hauptblitz, von höhergelegenen Punkten wie Bäumen, Masten oder Hausdächern aus, da in deren Umfeld die Feldstärke höher ist als in der Nähe der Erdoberfläche. Auch ist es möglich, dass ein Leitblitz von diesen Punkten nach oben ausgelöst werden kann. Oftmals zu beobachten sind aber auch Wolkenblitze, welche häufiger auch mal die gesamte Gewitterwolke aufleuchten lassen können. Bei Wolkenblitzen können auch Teile dieser Ladungen in einen Erdblitz übergehen.

 

 

Artenvielfalt der Blitze:

Allgemein lassen sich Blitze in vier verschiedene Arten unterteilen wobei die entsprechende Zuordnung des Blitzes zum einen über die Richtung des Blitzes sowie auch, ob die Erde nach dem Blitz positiver oder negativer geladen ist. Die vier Arten unterteilen sich in „negativer Wolke-Erde Blitz“, „positiver Wolke-Erde Blitz“, negativer Erde-Wolke Blitz“ und „positiver Erde-Wolke Blitz“. Dabei sind gut 90 %, also in den allermeisten Fällen, negative Wolke-Erde Blitze welche sich von der Wolke zur Erdoberfläche ausbreiten. Die Ladung wird dabei überwiegend durch Elektronen übertragen welche bei dieser Blitzeart von der Wolke in den Boden fließen, bei positiven Blitzen wiederum umgekehrt von der Erdoberfläche in die Wolke. Weitere Unterteilung der Blitzarten:

Blue Jets: Sogenannte „Blue Jets“ sind manchmal oberhalb der Gewitterwolke beobachtbar. Dabei muss man sich aber in ordentlicher Entfernung zum Gewitter befinden, damit man auch Sicht auf den Bereich oberhalb der Wolke hat. Bei Blue Jets, zu Deutsch blauer Strahl, handelt es sich um bläuliche Lichtfontänen die sich bis zu 50 km hoch über das Gewitter hinausbewegen können. Diese können dabei eine Geschwindigkeit von 100 km/s erreichen. (Fotoübersicht – Google)

Elmsfeuer: Bei „Elmsfeuer“ handelt es sich um eine Funkenentladung gegenüber der umgebenden Luft. Diese wird ausgelöst durch die große Feldstärke, die man um erhöhten gut leitenden Gegenständen wie Antennenmasten, Schiffsmasten, Flugzeugen oder auch Gipfelkreuzen, vorfindet. Elmsfeuer sind eine Art Vorentladung und können zudem auch Blitzentladungen auslösen. (Fotoübersicht – Google)

Elfen“: Als „Elfen“ bezeichnet man Blitzentladungen welche wiederum die Ionosphäre in Schwingung versetzen, wahrscheinlich durch Wolkenblitze. Sichtbar wird dies manchmal mit einem farbigen Ring oberhalb der Gewitterwolke auf gut 80 km. Also auch um eine solche Erscheinung sehen zu können, muss man genügend Distanz zum Gewitter haben. (Fotoübersicht – Google)

Eruptionsgewitter“: So bezeichnet man Gewitter, die durch einen Vulkanausbruch entstehen. (Fotoübersicht – Google)

Flächenblitz“: Ein „Flächenblitz“ zeigt zahlreiche Verzweigungen vom Hauptblitzkanal, kann also sehr häufig beobachtet werden. (Fotoübersicht – Google)

Kugelblitz“: Ein „Kugelblitz“ ist eine seltene Leuchterscheinung, die sich als kugelförmig darstellt. Dabei gibt es leider bisher nur Augenzeugenberichte und wohl keine Aufnahmen dieser Phänomene. Physikalisch ist dieser Art der Blitze bisweilen noch nicht wirklich geklärt. (Artikel: nationalgeographic.de ; Max-Planck-Institut für Plasmaphysik ; meteoros.de)

Linienblitze“: Sogenannte „Linienblitze“ sind eine sehr häufig anzutreffende Blitzeart und diese weisen keinerlei Verzweigungen auf. Eine weitere Besonderheit ist, dass diese nicht immer den direkten Weg zum Erdboden suchen, sondern oft auch als bogenförmige Erscheinungen auftreten. Je nach Position des Betrachters, können diese auch als Kreise oder Knoten sichtbar werden. (Fotoübersicht – Google)

Perlschnurblitze“: Auch bei den „Perlschnurblitzen“ handelt es sich um sehr selten auftretende Blitze, die das Merkmal besitzen keinen geschlossenen Blitzkanal zu haben. Der Blitz zerfällt dabei in mehrere kleine hell leuchtende Segmente (meist heller als ein Linienblitz) die für den etwas entfernten Betrachter einer Perlenschnur ähneln, woher auch der Name kommt. Diese Blitzeart konnte bereits im Labor erzeugt werden, die genaue Entstehung ist aber wohl auch noch nicht geklärt. Eine mögliche Ursache für diese Erscheinung könnte Instabilität des Plasmas im Blitzkanal sein. (Fotoübersicht – Google)

Positiver Blitz“: Bei einem „Positiven Blitz“ handelt es sich um einen Blitz, der aus dem oberen positiv geladenen Teil der Gewitterwolke in Richtung Boden schnellt. Diese Blitzeart tritt seltener auf als negative Blitze, sind aber auch um einiges stärker. Eine zusätzliche Gefahr ist, dass diese auch noch kilometerweit außerhalb des Gewitters auftreten können. Man hat beobachtet, dass diese häufig rückseitig der Gewitter aus dem Amboss hinaus auftreten und somit man seinen sicheren Standort nicht zu früh verlassen sollte. Positive Blitze dauern dabei länger an als negative Blitze und können auch erheblichere Schäden anrichten. Da bei diesem Blitz mehr Potential ausgeglichen werden muss, ist auch der Donnerknall in der Regel spürbar lauter. (Fotoübersicht – Google)

Red Sprites“: Sogenannte „Red Sprites“ (übersetzt „Rote Kobolde“) sind ebenfalls manchmal aus größerer Entfernung oberhalb der Gewitterwolke beobachtbar. Dabei handelt es sich um Entladungserscheinungen oberhalb großer Gewitter und können auf einer Höhe von bis zu 100 km (innerhalb der Mesosphäre) auftreten. Sie treten dabei mit einer Dauer von circa 5 Millisekunden nur sehr kurzzeitig auf. Farblich sind diese meist rötlich was mit der Fluoreszenz von Stickstoff durch die verursachenden Blitze angeregt wird. Die Form dieser Erscheinung reicht von pilzartig bis lattenzaunartig und sieht wirklich äußert interessant aus. Die Beobachtung von „Red Sprites“ ist aber nicht ganz so einfach. Vom Flugzeug aus geht das mit entsprechender Ausrüstung sehr gut, vom Boden aus benötigt man allerdings schon mindestens 200 km Entfernung und eben sehr gute Sichtbedingungen. (Fotoübersicht – Google)

Wetterleuchten“: Hierunter versteht man meistens den Widerschein von Blitzen eines weiter entfernten Gewitters verstanden, wobei wir aber den Blitz selbst nicht sehen können. Erzeugt wird diese Erscheinung in der Regel durch Blitze innerhalb der Wolken. Wegen der Entfernung des Gewitters ist der Donner aber eher selten zu hören, oder wenn nur schwach. Interessant dazu vielleicht, dass in Mitteleuropa der Donner durchschnittlich auf eine Entfernung von 5-20 km hörbar sein kann (natürlich abhängig von den Bedingungen bezüglich Wind usw.).

 

 

Ein paar Animationen zu Blitzen in Originalgeschwindigkeit und verlangsamter Form:

   

   

 

 

Schäden durch Blitze:

Selbstverständlich verursachen einschlagende Blitze auch jährlich einige Schäden, pro Jahr meist mit mehreren Millionen Euro Sachschaden. Zum Beispiel das Jahr 2014, wo ein versicherter Sachschaden von rund 340 Millionen Euro entstanden war. Nicht selten sorgen Blitzeinschläge auch für Wald- oder Wohnungsbrände was mit der erzeugten Spannung und Hitze in Verbindung zu bringen ist. Oftmals sind aber auch elektronische Geräte mehr und mehr betroffen, sodass sich ein ausreichender Überspannungsschutz für das eigene Heim empfiehlt. Die Nutzung von Überspannungsschutzsteckdosen alleine bietet dabei nur eine leichte Schutzmaßnahme, da die Überspannung ja trotzdem über das Hauptkabel in das Haus eindringt und andere Geräte zerstören kann. Ein Schutz zum Potentialausgleich der Spannung für alle Leitungen die ins Haus kommen, möglichst bei Gebäudeeintritt, ist daher empfehlenswerter. Es gibt noch weitere Maßnahmen wie Überspannungsableiter und so weiter, aber das geht für einen solchen Wissensbeitrag zu weit. Dort gibt es aber ausreichend Quellen, um sich über dieses Thema zu informieren.

Die Auswirkung eines Blitzeinschlags auf die Gesundheit des Menschen können natürlich ebenfalls fatal sein. Besonders gefährdet ist man hier natürlich an höhergelegenen Standorten aber auch Teilladungen von Blitzeinschlägen in unmittelbarer Umgebung können gefährliche Auswirkungen haben. Laut Angaben in Wikipedia gibt es durchschnittlich so ungefähr 3-7 Todesopfer durch Blitzeinschläge, die meist sicher auf direkte Blitzeinschläge zurückgehen. Direkte Blitzeinschläge haben nachvollziehbarerweise vergleichbare Folgen wie Stromunfälle unter Hochspannung. Verbrennungen, Auswirkungen auf das Nervensystem (z.B. Gehirn, Rückenmark), Muskulatur einschließlich des Herzens und anderer Organe sowie (bleibende) Schädigungen sind möglich, die unter anderem zur Bewusstlosigkeit (teils Koma), Lähmungen und tödlichem Herz-, Kreislauf- und Atemstillstand können die Folge sein. Aber auch nach Überleben des Blitzeinschlags können nach Monaten bis Jahren noch weitere neurologische Folgeschäden auftreten. Dies können die Folgen des Blitzes bezogen auf den elektrischen Strom sein.

Aber auch die entstehende Druckwelle des Blitzes kann erhebliche gesundheitliche Folgen haben, auch wenn man sich in etwas entfernterer Position befindet. Beispiele für Folgeverletzungen wären zum Beispiel Gehörschäden (Hörsturz, Tinnitus oder Risse im Trommelfell) oder aber auch lebensgefährliche Verletzungen wie Risse in der Lunge und anderer innerer Organe sowie Frakturen sein. Dies ist natürlich gut vorstellbar, wenn man bedenkt wie beeindruckend die Donnerschläge manchmal klingen und einiges zum Wackeln bringen, selbst wenn der ausgehende Blitz wenige Kilometer entfernt auftrat. Der freigesetzte Druck kann also gewaltig sein mit entsprechenden Folgen.

Selbstverständlich können auch andere Nebeneffekte die zum Blitz samt Donner gehören zu Folgeunfällen führen, wie das Erschrecken oder auch die Blendewirkung. Physiologische oder psychische Störungen oder Veränderungen die auch dauerhaft bleiben können, können die Folge sein.

 

 

Grobe Bestimmung der Entfernung des Blitzes mittels Donner:

Es gibt grobe Methoden um die Entfernung eines Blitzes zu bestimmen. Dazu muss man zunächst den Blitz sehen und beginnt dann die Sekunden bis zum dazugehörigen Donner zu zählen, hier bis zum Beginn des Donners. Dieses Zeitintervall wird dann für die nachfolgende grobe Entfernungsberechnung verwendet. Nun kann man folgende Methoden anwenden:

1. Methode:   Zeitintervall (Sek.) x 343 m/s (Schallgeschwindigkeit) = ca. Entfernung (in Metern)

2. Methode:   Zeitintervall (Sek.) / 3 = sehr grobe Entfernung (in Kilometern)

 

 

Verhalten bei Gewittern:

Da sich Blitzentladungen zumeist höhere Punkte suchen (z.B. Antenne, Bäume, Masten, …) sollte man sich von diesen Objekten schon einmal entfernen und keineswegs in deren Nähe aufhalten. Es empfiehlt sich auch zu Überlandleitungen einen Mindestabstand von gut 50m einzuhalten.

Befindet man sich im freien gilt keinesfalls die auch teils verbreitete Regel sich flach auf den Boden zu legen. Damit würde man seine Fläche zum (nassen) Boden nur sehr vergrößern, sodass man unter Umständen eine richtig kräftige Ladung abbekommt. Grundregel ist, sich grundsätzlich so klein wie möglich zu machen. Dabei geht man in die Hocke, Beine möglichst eng zusammen und auf Zehenspitzen stehen. Mit dieser Haltung ist die Gefahr geringer, eine große Ladung abzubekommen.

Wenn irgendwie möglich, sollte man stets Schutz in Gebäuden oder im Auto suchen. Das Auto wirkt dabei wie ein faradayscher Käfig und leitet elektrische Entladungen ab. Dadurch ist man im Inneren des Autos geschützt.  Dabei sollte man aus Sicherheit auch im Inneren keine reinen Metallteile berühren. Auch nach einem Gewitter bei Blitzschlag in der Nähe oder auf das Fahrzeug sollte man etwas warten, bis man das Auto von außen wieder berührt da noch eine Restladung vorhanden sein kann. Auch auf den Gebrauch von Fahrrädern sowie metallischen Schirmen sollte aufgrund der Leitbarkeit verzichtet werden.

Mehr Informationen zum Thema Verhalten bei Unwettern findet ihr beim Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe.

 

 

Weitere Artikel zum Thema Gewitter findet ihr nach Fertigstellung hier:  

Allgemein   ;   Donner   ;   Niederschlagsarten   ;   Sturm 

 

 
Autor des Artikels:   Frank Rinas

Quellen der Daten:  weltderphysik.de ; wikipedia.org ; helmholtz.de ; leifiphysik.de

Die Fotos sowie Animationen rund um den Artikel wurden alle von mir selbst erstellt und aufgenommen.

 

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