Arbeitsblatt: Gewitter und Blitze

Blitze in Gewittern Blitze sind elektrische Entladungen die zwischen Gebieten unterschiedlicher Raumladung in der Wolke oder zwischen Wolke und der Erdoberfläche stattfinden. Blitze werden in Gewitterwolken beobachtet. Diese bilden sich, wenn feuchte Luft zum Aufsteigen und zur Kondensation gebracht wird. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die den weiteren Aufstieg der feuchten Luft unterstützt, so dass sich die Wolke bis zum Oberrand der Troposphäre erstrecken kann. In den mittleren Breiten können Gewitterwolken bis in 13 km Höhe reichen Blitzvorgang Schönwetterfeld In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Potentialdifferenz von etwa 300000V zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (ca. 50km). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluss dieses Feldes fliesst ein Strom der Stärke 1000 vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab, es ist daher ein Ladevorgang notwendig, dieses Aufladen des Erdkondensators wird durch Gewitter besorgt. Ladungstrennung in der Wolke Durch verschiedene Prozesse innerhalb der Gewitterwolke findet eine Trennung von elektrischen Ladungen statt. Diese Ladungstrennung ist mikroskopischer und makroskopischer Natur. Im Resultat von Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozesse zwischen Eis und Wasserteilchen sowie durch einwirkende Prozesse sind kleine Eisteilchen positiv geladen während grosse Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine grossräumige Separation dieser Teilchen erfolgt dann durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke. Die leichten Eispartikel finden sich im oberen Teil der Wolke, wo sich somit ein positives Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum. Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker. Leitblitz Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative Ladungsträger in Form des sogenannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche zuzubewegen. Dieser Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die typischen Verästelungen. Hauptblitz Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche. Wenn schliesslich die lokale Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet, kommt dem stepped leader vom Erdboden aus eine Fangentladung entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort die maximalen Feldstärken erreicht werden. Wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals. Durch den Stromfluss heizt sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der Stromfluss auf einen dünnen Kanal begrenzt in dessen Zentrum bis zu 30000 erreicht werden können. Der Strom kann über 100 kA betragen. Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus, es entsteht eine Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der Donner, generiert werden. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab. Ein ReturnStroke dauert meist nur einige Mikrosekunden an, es kann jedoch auch ein kontinuierlicher Strom für einige Millisekunden fließen. Abhängig ist dies vom Nachschub an freien Ladungsträgern und auch von der magnetohydrodynamischen Stabilität des Blitzkanals. Die transportierte Ladungsmenge liegt in der Regel bei einigen Coulomb, die elektrische Energie bei einigen GigaJoule. Die meisten Erdblitze bestehen aus mehreren returnstrokes, die den Kanal des ersten Blitzes nutzen. Die Zeit zwischen den einzelnen Entladungen liegt bei 50100 ms. Die Folge dieser Entladungen bilden das charakteristische Flackern des Blitzes. Wolkenauflösung Die meisten Blitze haben negative Ladung zur Erde transportiert, es verbleibt daher nach Wolkenauflösung eine größere Anzahl positiver Ladungsträger in der oberen Troposphäre. Durch die Blitzentladungen vom negativen Ladungszentrum im unteren Teil der Wolke wurde negative Ladung zur Erde transportiert. Blitzarten Blitzentladungen zwischen Wolke und Erde werden unterschieden nach der Polarität der zur Erde transportierten Ladung und Richtung des Leaders. negativer WolkeErdeBlitz positiver WolkeErdeBlitz negativer ErdeWolkeBlitz positiver ErdeWolkeBlitz Der größte Teil (etwa 90%) der Blitze zwischen Wolke und Erde werden in der Wolke initiiert, breiten sich und transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche. Blitze, die von der Erde in Richtung Wolke verlaufen, gehen meist von hohen Bauwerken oder Berggipfeln aus. Die Feldstärke ist in der Umgebung dieser Spitzen besonders hoch, so dass ein Leitblitz nach oben ausgelöst werden kann. Vielfältige Entladungen finden innerhalb der Wolke statt und werden durch das Aufleuchten ganzer Wolkenbereiche sichtbar. Ein Teil dieser Entladungen kann in einen Erdblitz übergehen. Gewitter Damit Gewitterwolken mit Blitz und Donner entstehen können, muss innerhalb der Wolke eine starke Aufwärtsströmung herrschen (In kräftigen Gewitterwolken wurden Aufwinde mit Geschwindigkeiten von knapp über 30 m/sec über 100 km/h) gemessen. Ideale Voraussetzungen für solch starke Vertikalbewegungen gibt es vor allem im Sommer, wenn der Boden und die bodennahe Luft stark aufgewärmt wird und dadurch von selbst in die Höhe steigt (Bildung von Quellwolken, die immer grösser werden und sich schliesslich zu Gewitterwolken entwickeln). Grundsätzlich aber ist weniger die absolute Temperatur am Boden als viel mehr der Temperaturunterschied zwischen den unteren und den oberen Luftschichten in 5 bis 8 km Höhe ausschlaggebend dafür, ob sich die Luft nach oben in Bewegung setzt: Wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe mehr als 0.6 pro 100 Meter abnimmt (feuchtadiabatischer Temperaturgradient), sind Gewitter unabhängig von der Jahreszeit im Prinzip möglich. Basierend auf diesem Temperaturgradienten kann es somit auch bei Bodentemperaturen von 10 blitzen und donnern, sofern die Temperatur in 5 km Höhe unter 40 zurückgeht (10 {0,6 50} 40). Selbstverständlich sind solch tiefe Temperaturen in 5 km Höhe eher selten, und daher sind Wintergewitter auch eher die Ausnahme. Im Sommer liegen die Temperaturen in 5 km Höhe im Mittel bei 15 C, und somit braucht am Boden nur 15 bis 20 C, damit sich ein währschaftes Gewitter entwickeln kann. Gewitterwolken reichen vielfach bis an die Obergrenze der Troposphäre in rund neun Kilometern Höhe. Dort besteht die Wolke nur noch aus Eiskristallen. Die erwähnten starken Auf und Abwinde vermögen selbst grössere Eispartikel mehrmals zu packen und wiederholt nach oben in kältere Bereiche zu schleudern. So wachsen sie immer mehr und können sich zu teils schweren Hagelkörnern entwickeln. (Für das Tropfenwachstum gilt ähnliches.) Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass neben dem Temperaturunterschied natürlich noch eine Menge anderer Faktoren über Sein oder Nichtsein von Gewittern entscheidet. Die sind aber unabhängig von der Jahreszeit. Blitz und Donner Die Teilchen in einer Gewitterwolke werden durch starke Auf und Abwinde durch die Wolke gewirbelt. Dabei prallen die Teilchen zusammen und werden elektrisch aufgeladen. Die kleinen und leichteren, meist positiv geladenen Teilchen sammeln sich im oberen Teil der Wolke an, die schweren negativ geladenen Partikel im unteren Teil. Innerhalb der Wolke und als Folge auch zwischen Wolke und Erde baut sich ein Spannungsfeld von einigen hundert Millionen Volt auf, das sich schliesslich mit einem gewaltigen und blitzschnellen Kurzschluss entlädt. Die Luft im Blitzkanal erhitzt sich dabei innert Sekundenbruchteilen auf rund 3000 Celsius, wodurch sie sich explosionsartig ausdehnt. Diese Ausdehnung pflanzt sich in Form von Schallwellen fort (Schallwellen sind im Prinzip nichts anderes, als mechanisch erzeugte Wellen in der Luft, die unser Trommelfell anregen und bei entsprechender Frequenz und Intensität demzufolge als Geräusch vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden.) Die explosionsartige Ausdehnung der Luft wird als lauter Donnerknall (oder in grosser Entfernung als dumpfes Donnergrollen) gehört. Das Licht des Blitzes verbreitet sich in der Luft mit 30000 km/Sekunde (Lichtgeschwindigkeit), die Schallwellen dagegen nur mit rund 300 Meter/Sekunde. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Erkennen des Lichtblitzes und dem nachfolgenden Donner kann somit die Distanz des Gewitters berechnet werden. (Die Anzahl Sekunden zwischen gesehenem Blitz und gehörtem Donner multipliziert man mit der Schallgeschwindigkeit 300 Meter pro Sekunde. Damit erhält man eine Schätzung der Distanz zum Gewitter) Weltweit gibt es täglich etwa 4500 Blitze. Jeder von ihnen erzeugt Stromstärken von mehreren 10000 Ampère. Der Maximalstrom während eines Blitzschlages fliesst jedoch nur während einigen wenigen Millionsteln einer Sekunde, weshalb ein Blitz trotz seiner ungeheuren Leistung von 10 Milliarden Kilowatt (Produkt von Spannung und Stromstärke) letztlich nur wenige Kilowattstunden elektrische Energie liefert.