6.3 Blitz und Gewitter
Quelle: Themenpool §6 · Mitschrift §5.1.5
Entstehung
Feuchte Luft wird von der Sonne erhitzt und steigt auf; in der Höhe kondensiert das Wasser → Wolken. Dieselbe Sonnenenergie sorgt auch für die Ladungstrennung in der Wolke.
Abbildung: Gewitterentstehung — feuchte Luft steigt auf, Kondensation bildet Wolken, Ladungstrennung, schließlich Funkenüberschlag zwischen Wolke und Boden.
Phasen des Blitzes
Wie bei der Influenzmaschine (ein Gerät, das durch Influenz/Reibung hohe elektrische Ladung aufbaut, bis ein sichtbarer Funke überspringt) im Physikraum häuft sich Ladung an, bis es zum Funkenüberschlag kommt. Allerdings braucht der Blitz einen Auslöser — die Spannung allein reicht nicht; höchstwahrscheinlich die kosmische Strahlung. ✎ Warum ein Auslöser? Luft ist normalerweise ein Isolator; damit ein Strom fließen kann, muss sie erst leitfähig (ionisiert) gemacht werden. Die hochenergetische kosmische Strahlung liefert die ersten freien Ladungsträger, die die Kettenreaktion (Stoßionisation) starten.
1. Spannungsaufbau zwischen Wolke und Boden. Durch die Ladungstrennung sammelt sich oben/unten entgegengesetzte Ladung → es baut sich eine Spannung (ein starkes elektrisches Feld) auf, bis die Luft kurz vor dem Durchschlag steht. 2. Leitblitz (Ionen-/Plasmakanal) — unsichtbar (✎ es fließt erst ein kleiner Strom; hell aufleuchten lässt die Luft erst der große Strom des Hauptblitzes), besteht aus ionisierten Luftmolekülen und wirkt wie ein Stromkabel: Erst dieser leitfähige Kanal bahnt den Weg für den eigentlichen Strom. (Er tastet sich in kurzen Sprüngen voran — daher das spätere „Absprungverhalten".) 3. Hauptblitz — sobald der Kanal Wolke und Boden verbindet, fließt schlagartig der große Strom durch diese Ionenbrücke zurück nach oben, sichtbar: der grelle „Blitz", den wir sehen.
Donner: Durch die enorme Hitze dehnt sich die Luft zylinderförmig um den Blitzkanal explosionsartig aus — das hören wir als Donner. (✎ Im Grunde dasselbe Knacken wie der Funke an der Influenzmaschine, nur vielfach lauter.)
✎ Warum sieht man den Blitz, bevor man den Donner hört? Licht (
m/s) ist praktisch sofort da; Schall ( m/s) braucht für jeden Kilometer rund 3 Sekunden. Faustregel: Sekunden zwischen Blitz und Donner durch 3 teilen = Entfernung des Gewitters in km. (Dass der Donner oft grollt, statt nur einmal zu knallen, liegt am langen Blitzkanal: Der Schall von verschieden weit entfernten Kanalabschnitten trifft nacheinander ein — siehe Linienquelle in §6.4.)
✎ Exkurs EM-Wellen: Maxwell (1860) erkannte: beschleunigte Ladungen senden elektromagnetische Wellen aus; je stärker die Beschleunigung, desto höher die Energie. Im Blitz ist sie so groß, dass sogar Röntgen- und Gammastrahlung entsteht (vertieft in Optik).
✎ Exkurs — Polarlicht (Aurora). Der Sonnenwind trägt ständig geladene Teilchen (vor allem Protonen und Elektronen) zur Erde. Das Erdmagnetfeld lenkt diese Teilchen ab und führt sie entlang der Feldlinien zu den beiden Polen (deshalb „Polarlicht"). In der hohen Atmosphäre stoßen sie mit N₂- und O₂-Molekülen zusammen und regen sie an; beim Abregen geben die Moleküle die Energie als Licht wieder ab (grün und rot). Es ist also dieselbe Ablenkung geladener Teilchen im Magnetfeld, die uns auch vor der kosmischen Strahlung schützt (der „Magnetschild" einer Mars-Mission ahmt genau das nach) — nur wird sie hier am Himmel sichtbar.
✎ Exkurs — Warum ein Blitz Bäume spaltet, aber nicht unbedingt entzündet. Ein Baum enthält Wasser (im Stamm und unter der Rinde). Schlägt der Blitz ein, treibt der enorme Strom in Sekundenbruchteilen das Wasser im Holz schlagartig in den Dampfzustand: Der Dampf dehnt sich explosionsartig aus und sprengt das Holz von innen auseinander — der Baum wird mechanisch aufgerissen/gespalten, ähnlich einer Explosion. Es ist also in erster Linie ein mechanisches Zerbersten durch den Dampfdruck, nicht ein Verbrennen. (Im Prinzip dieselbe explosive Ausdehnung wie beim Donner, nur im festen Holz statt in der Luft.)
Blitzableiter
Sitzt am höchsten Punkt und zieht den Blitz bevorzugt an — ✎ denn an der höchsten, spitzen Metallstelle ist das elektrische Feld am stärksten (Ladung sammelt sich an Spitzen), sodass der Überschlag bevorzugt dort einsetzt. Aber kein 100 %-Schutz: Durch das Absprungverhalten kann der Blitz sich auffächern und andere Stellen treffen.