Entstehung

Ladungen in einer Gewitterwolke

Durch die Auf- und Abwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit positiven und negativen Ladungen. Es handelt sich dabei um Raumladungen, das heißt, dass ein Gebiet mit positiver Ladung sowohl positive wie negative Ionen enthält, aber die positiven überwiegen. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Der Übergang zwischen positiven und negativen Ladungen findet dabei gewöhnlich 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.

Allerdings werden positive Ladungen auch oft in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen, sodass die oben beschriebene Ladungstrennung nicht immer zutreffen muss. Unbestritten erscheint jedoch, dass die Ladungstrennung durch Reibung von Eiskristallen (Graupel) aneinander erfolgt. Wenn die elektrische Spannung zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß wird, kann es zu einem Blitz kommen.

Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke

Ein Blitz ist ein Spannungsausgleich innerhalb der 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 Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer elektrischen Feldstärke von ca. 3 Millionen Volt pro Meter (der so genannten Durchbruchfeldstärke), dieser Wert steigt jedoch stark mit zunehmender Luftfeuchtigkeit an. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen (Messungen ergeben nur extrem selten Feldstärken von über 200.000 Volt pro Meter, was deutlich unter dem Wert für den Durchbruch liegt). Daher wird heute davon ausgegangen, dass die Luft zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden muss, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.

Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation

Einige Forscher, als erster der spätere Nobelpreisträger Charles Thomson Rees Wilson im Jahre 1925, gehen davon aus, dass durch kosmische Strahlung angeregte Elektronen den Anfang einer Blitzentstehung bilden. Trifft ein solches Elektron auf ein Luftmolekül einer Gewitterwolke, so werden weitere hochenergetische Elektronen freigesetzt. Es kommt zu einer Kettenreaktion, in deren Folge eine Elektronenlawine entsteht.

Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Dabei wird ein Blitzkanal (Leitblitz) geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stoßionisation der Luftmoleküle durch die Runaway-Elektronen gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar Richtung Erdboden gerichtet, variieren aber innerhalb weniger Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Blitzes zu Stande. Der Leitblitz emittiert - wie neue Forschungen zeigen - auch Röntgenstrahlung mit einer Energie von 250.000 Elektronenvolt.

Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen, geht vom Boden eine Fangentladung aus, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meistens bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Masten oder Kirchtürmen) aus, welche sich in ihrer Höhe von der Umgebung abheben. Die Fangentladung trifft häufig, aber nicht immer mit den Vorentladungen zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal zwischen Wolke und Erdboden. Der Blitzkanal weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann die Hauptentladung, welche sehr hell ist und als eigentlicher Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten des Blitzes wird durch die Bildung von Plasma verursacht.

Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen

Im Durchschnitt bilden 4 bis 5 Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0,01 Sekunden, 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. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20.000 Ampere. Bei den Vorentladungen wird der Erdoberfläche meistens negative Ladung und bei den Hauptentladungen der Atmospähre meistens 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. Meistens handelt es sich hierbei um eine besonders intensive Entladung, deren Hauptentladung auch deutlich länger anhält als beim Negativblitz.

Länge eines Blitzes

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

Entstehung des Donners

Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30.000 °C erhitzt, was dem Fünffachen der Oberflächentemperatur der Sonne entspricht. 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 recht genau einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zustande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem länger anhaltenden und weniger scharf polternden Geräusch begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.