Gewitter: 15 Fragen und Antworten rings um Blitz und Donner

Gewitter: 15 Fragen und Antworten rings um Blitz und Donner

 

Gewitter gehören zu den elementaren, mit luftelektrischen Entladungen (Blitz und Donner) und meist kräftigen Niederschlägen sowie heftigen, böigen Winden verbundenen Wettererscheinungen; sie treten durch Konvektion von Luft relativ hohen Wassergehalts bei hoch reichender (feucht-)labiler Schichtung der Atmosphäre auf und sind durch die Ausbildung besonders mächtiger, sich lokal aus kleinen Anfängen rasch entwickelnder Quellwolken gekennzeichnet, in denen starke Vertikalströmungen herrschen. In solchen Gewitterwolken(Cumulonimbus), die oft bis zu der — in mittleren Breiten in 6—8 km, in den Tropen in 10—11 km Höhe liegenden — Grenze der Troposphäre reichen, kommt es durch diese Vertikalströmungen zu starken Ladungstrennungen der Luftelektrizität sowie zusätzlicher Gewitterelektrizität. Dadurch werden sehr starke elektrische Felder aufgebaut, die sich durch kräftige elektrische Entladungen zwischen unterschiedlich aufgeladenen Wolkenteilen (Wolkenblitze) oder zwischen diesen und der Erdoberfläche (Erdblitze) allmählich ausgleichen. Außerdem kommt es ab einem bestimmten Zeitpunkt der Gewitterwolkenentwicklung zu (oft wolkenbruchartigen) Starkniederschlägen in Form von großen unterkühlten Regentropfen oder sogar von Hagel.

 

 Gewitterwolken

 

1) Warum sind Gewitterwolken so dunkel?

 

Gewitterwolken (Cumulonimbus; lateinisch: cumulus = Haufen, nimbus = Wolke) enthalten größere Wassertropfen und Eispartikel als andere Wolken und sind zudem voluminöser. Die Partikel schwächen das Licht beim Durchgang durch die Wolke so weit ab, dass die Wolke im Gegenlicht schwarz erscheint.

 

2) Ziehen Gewitterwolken bevorzugt über Flussläufen entlang?

 

Nein. Gewitter ziehen in die Richtung, die ihnen der Wind vorgibt, der in der Troposphäre herrscht. Herrscht in den höheren Atmosphärenschichten Windstille, so verharren die Wolken an Ort und Stelle. Die Topographie der Erdoberfläche hat auf die dortigen Winde kaum einen Einfluss. Nur Gebirge beeinflussen vorwiegend erdnahe Luftströmungen, der Verlauf von Flüssen jedoch gar nicht. Von einem Einfluss des Oberflächenwassers könnte man allenfalls bei dem Phänomen sprechen, dass sich Wolken über Land leichter bilden als über großen Seen oder über dem Meer, da sich der Boden rascher als Wasserflächen erwärmt und seine Wärme an die Luft darüber abgibt. Die warme, feuchte Luft steigt auf und bildet in einigen Kilometern Höhe Wolken, die zu Gewitterwolken wachsen können. Gewitterwolken bilden sich auch am Rand einer Kaltluftfront und überqueren das Land dann in geschlossener Reihe. Auch hier besteht keine Korrelation der Richtung zu Flussläufen.

 

 Niederschläge

 

3) Warum fällt Gewitterregen erst, nachdem die ersten Blitze zu sehen waren?

 

Die Wassertropfen und Eispartikel einer Gewitterwolke werden zum einen von Aufwinden getragen, zum anderen sind sie durch Reibungseffekte elektrostatisch geladen (Ladungstrennung) und schweben im elektrischen Feld, das zwischen den Wolkenschichten herrscht. Durch die Blitze entlädt sich der Wolken-»Kondensator«, das elektrische Feld bricht zusammen und die der Schwerkraft entgegengerichteten elektrischen Coulomb-Kräfte verringern sich stark oder verschwinden sogar ganz. Die Teilchen oder Tröpfchen fallen nun, nur noch von der Luft gebremst, zu Boden.

 

4) Warum ist es direkt nach einem Gewitterregen sehr viel kühler, während sonst Regen meist mit milderen Temperaturen einhergeht?

 

Bei der Kondensation von (unsichtbarem) Wasserdampf zu Wolken von Wassertröpfchen wird Wärme frei. Diese erhöht die Temperatur der umgebenden Luft oder wirkt einer (beispielsweise durch Aufsteigen der Luft bedingten) Abkühlung entgegen. Dies trifft auch für die Vorgänge in einer Gewitterwolke zu. Die typischen kalten Gewitterböen mit ihren Regenfällen sind Abwinde, die direkt aus der Wolke stammen. In ihrem unteren Bereich (in drei Kilometern Höhe) herrschen in der Regel Temperaturen von etwa 0 ºC, und nach oben hin wird es noch kälter. In zehn Kilometer Höhe, an der Obergrenze der Wolke, liegen die Temperaturen meist sogar unter —40 ºC.

 

5) Wie groß können Hagelkörner werden?

 

Hagelkörner wachsen aus Eiskristallen, die innerhalb der Gewitterwolke mehrmals im Kreis aufsteigen und herabfallen und sich dabei mit immer dickeren Eisschichten überziehen. Je weiter innen der Kreislauf stattfindet, desto öfter kann er durchlaufen werden und desto größer werden die Kristallaggregate.

 

Die größten beobachteten Hagel-»Körner« fielen am 14. April 1986 bei einem Gewitter über Bangladesch vom Himmel. Die schwersten dieser Brocken wogen über ein Kilogramm. Sie schlugen mit 160 km/h auf den Boden auf — der gleichen Geschwindigkeit, die zuvor die aufwärts strömende Luft gehabt hatte, die diese Eisblöcke im Bereich der Gewitterwolke in der Schwebe hielt.

 

 Luftelektrizität

 

6) Was ist Luftelektrizität?

 

Luftelektrizität oder atmosphärische Elektrizität ist ein elektrisches Feld, das durch die elektrostatische Aufladung der Erde gegenüber der Atmosphäre zustande kommt. Man kann den Planeten Erde als Plattenkondensator betrachten. Seine elektrisch leitfähigen, konzentrischen »Platten« werden von der Erdoberfläche und der Ionosphäre (in etwa 100 Kilometer Höhe) gebildet und sind durch die isolierende Luft getrennt. Nach außen ist das System annähernd elektrisch neutral. Die Erdkugel und die Ionosphäre tragen jeweils etwa eine Ladung von 500 000 Coulomb, wobei die Erde negativ gegenüber der Ionosphäre geladen ist. Die Potenzialdifferenz zwischen beiden beträgt etwa 300 000 Volt. Der planetare Kondensator hat damit eine Kapazität von rund 1,7 Farad. Zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre herrscht im globalen Durchschnitt am Boden ein elektrisches Feld von etwa 100 V/m (Volt pro Meter). Mit zunehmender Höhe nimmt die Feldstärke ab, da sich die positive Ladung nicht ausschließlich in der Ionosphäre befindet. Sie ist zu einem großen Teil über die gesamte Atmosphäre verteilt, wobei die Ladungsdichte mit der Höhe sinkt. Aufgrund der geringen, aber vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit der Luft würde sich der atmosphärische Kondensator binnen weniger Stunden entladen, wenn nicht ständig für neue Aufladung gesorgt würde.

 

Die elektrische Feldstärke an der Erdoberfläche hängt von der örtlichen Beschaffenheit des Terrains ab und unterliegt wetterabhängig beträchtlichen Schwankungen. So verhält sich eine Gewitterwolke wie ein ausgedehnter Dipol, dessen positiv geladenes Ende meist nach oben weist. Der Dipol wird durch Auftriebskräfte in dieser ungünstigen Ausrichtung gehalten. Das Feld der Wolke überlagert sich dem erdatmosphärischen Feld und bewirkt eine lokale Umkehr der Feldlinienrichtung an der Erdoberfläche. Durch das elektromagnetische Phänomen der Influenz erhöht sich am Boden unter der Wolke die Dichte positiver Ladungsträger.

 

7) Wodurch entsteht Luftelektrizität?

 

Die Ursachen der Luftelektrizität sind vielgestaltig. Ladungen werden bei der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit Gasmolekülen der Atmosphäre erzeugt, außerdem durch radioaktiven Zerfall von Elementen im Erdkörper, durch den Ausstoß geladener Wassertröpfchen in der Gischt von Wellen und durch die Ladungstrennung an windverfrachteten Staubpartikeln (Reibungselektrizität). Alles in allem lädt sich die Erde dadurch relativ zur Atmosphäre negativ auf. Während eines Gewitters werden sehr starke Felder aufgebaut und, nach Überschreiten der Durchschlagsfeldstärke von etwa 106—107 V/m, durch Blitze teilweise wieder abgebaut, wobei schließlich meist ein positiver Ladungsüberschuss in der sich auflösenden Gewitterwolke übrig bleibt.

 

8) Welche Wirkung hat Luftelektrizität auf den Organismus?

 

Die eigenartige »Gewitterstimmung«, während sich ein Unwetter zusammenbraut, ist wohl jedem bekannt. Die Hauptwirkung auf den Organismus geht dabei aber nicht von der Luftelektrizität aus, die vor einem Gewitter stark ansteigt, sondern ist durch den kräftigen Luftdruckabfall in Bodennähe bedingt, der schon Stunden vor dem Gewitter einsetzt. Spürbar ist an der Luftelektrizität ohnehin nicht das elektrische Feld selbst, sondern nur ein unter Umständen durch den Körper fließender Strom, wobei schwächere Ströme als etwa 100 Mikroampere nicht wahrgenommen werden. Diese Stromstärken werden aber beim Ausgleich von Ladungsunterschieden, die durch atmosphärische Elektrizität verursacht werden, nur selten erreicht. Sowohl der Aufbau des elektrischen Feldes als auch der Druckabfall sind eine Folge der Aufwinde, die das Gewitter verursachen. Empfindliche Menschen reagieren darauf mit Kreislaufschwäche, Kopf- und Gliederschmerzen und anderen nervösen Beschwerden, die sie im Übrigen vor einem Gewitter auch beim Aufenthalt in faradayschen Käfigen (beispielsweise Autos) bekommen.

 

 Blitze

 

9) Welche Energie enthält ein Blitz?

 

Der größte Teil der Energie einer Blitzentladung wird als Wärme freigesetzt, etwa ein Prozent in Form von Radiostrahlung und ebensoviel als infrarotes und sichtbares Licht. Der ultraviolette Anteil ist verschwindend klein. Die Schallenergie des Donners ist ebenso kaum nennenswert. Die gesamte Energie eines Blitzes liegt bei rund 250 Kilowattstunden, von denen aber nur etwa ein Zehntel als Elektrizität genutzt werden könnte. Damit ließen sich etwa 2 700 Liter Wasser von 20 auf 100 ºC erhitzen, oder man könnte eine 50-Watt-Lampe knapp 21 Tage lang brennen lassen. Die Radiowellen entstehen, weil der Blitz wie eine riesige Sendeantenne wirkt; und das ultraviolette Licht, wenn die Ionen des Plasmas, das den Blitzkanal füllt, die verlorenen Elektronen wieder einfangen. Sichtbares Licht und Wärmestrahlung sind ein Resultat der Temperaturen des Plasmas von bis zu 30 000 ºC.

 

10) In welche Richtung bewegt sich ein Blitz?

 

Grundsätzlich hängt die Richtung des Ladungsflusses in einem Blitz von der Ladung der Gewitterwolke relativ zum Erdboden ab. Im Normalfall wird negative Ladung aus der Wolke zum Erdboden transportiert. Zu beachten ist aber, dass die Richtung des negativen Ladungsflusses meist nicht mit der Richtung übereinstimmt, in der sich die Zone des hellsten Leuchtens entlang eines Blitzes bewegt. Beobachten lassen sich die Leuchterscheinungen mithilfe von Hochgeschwindigkeitsfotografie, und zur Messung der elektrischen Felder dient ein elektrostatisches Voltmeter, in dem die Coulomb-Kraft eines äußeren Feldes auf die Platten eines Kondensators, von denen eine beweglich gelagert ist, gemessen wird.

 

Die Ursache eines Gewitters ist die Ladungstrennung innerhalb der Wolke. Die Trennung entsteht, indem der Aufwind große Mengen positiver Ladung aus dem unteren Bereich in höhere Wolkenschichten trägt und unten einen Überschuss negativer Ladung zurücklässt. Die meiste negative Ladung befindet sich in einem Bereich im Inneren der Wolke, der etwa zwei Kilometer über den untersten Wolkenschichten liegt. Durch die Ladungstrennung kommt es oft auch innerhalb der Wolke zu Blitzen (Wolkenblitze), die allerdings weniger energiereich sind als Blitze zwischen Wolke und Erde (Erdblitze). Letztere kommen dadurch zustande, dass die Erde unterhalb der Wolke wegen des Überschusses an negativer Ladung in der Wolkenunterseite positiv gegenüber dieser geladen ist. Wenn die Durchbruchsfeldstärke überschritten wird, kommt es zu plötzlichen Entladungen in Form von Blitzen. Der genaue Ablauf ist komplizierter, als es der bloße Augenschein vermuten lässt. In der Frühphase eines Erdblitzes entsteht zunächst ein relativ schwach leuchtender Vorblitz, bei dem sich die Träger der negativen Ladung, die Elektronen, schubweise von der Wolke in Richtung Erde bewegen. Sie heizen die umgebende Luft in einer schlauchförmigen Zone durch Zusammenstöße mit den Gasmolekülen stark auf, wobei diese zu Ionen gespalten werden und noch mehr Elektronen freigesetzt werden. (Die Aufwärtsbewegung der positiv geladenen Ionen in dem herrschenden Feld spielt gegenüber der Abwärtsbewegung der Elektronen keine große Rolle, da die Ionen sich wesentlich langsamer bewegen.) Durch die Stoßionisation entsteht ein Plasma, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ein einzelner Schub des Vorblitzes erstreckt sich in der Regel über etwa 50 Meter. Danach wechselt die Fortpflanzungsrichtung meist zur Seite hin, oder es treten Verzweigungen auf.

 

Der Blitz »tastet« sich in diesem Stadium quasi voran. Ein Vorblitz hat eine relativ niedrige Geschwindigkeit von 150 Kilometer pro Sekunde (km/s), er braucht für eine Strecke von drei Kilometern also rund 20 Millisekunden. Besonders prädestiniert für den Einschlag von Blitzen sind von der Erdoberfläche emporragende Objekte, in deren Spitze sich die influenzierte positive Ladung ballt. Sobald der Vorblitz sein Ziel erreicht, ist ein Kurzschluss zwischen einem Teil der Wolke und der Erde hergestellt, und der Elektronenfluss entlang der nunmehr geschaffenen Leitungsbahn setzt voll ein, das heißt, der Hauptblitz entsteht. Die beschleunigten Elektronen erzeugen dabei weiteres Plasma und heizen es kräftig auf. Eine Zone hell leuchtenden, heißen Plasmas entsteht zunächst in Bodennähe und dehnt sich mit etwa 100 000 km/s nach oben aus, während die Elektronen im Hauptkanal nach unten gerissen werden. In den seitlichen Verzweigungen, den »Sackgassen« des Blitzes, fließen die Elektronen aufwärts den Weg zurück, den sie gekommen sind, um in den Hauptstrom einzumünden. Der Hauptblitz dauert rund 70 Mikrosekunden (1 Millisekunde = 0,001 Sekunden = 1 000 Mikrosekunden).

 

Nun folgt eine Pause von einigen zehn Millisekunden, während der das Plasma abkühlt. Noch bevor es ganz erlischt, kann aus einem etwas höheren Bereich der Wolke meist ein neuer Elektronenfluss einsetzen. In diesem mäßig lichtstarken Zwischenblitz bewegen sich die Elektronen mit rund 3 000 km/s nach unten und »frischen« den Entladungskanal durch Ionisation wieder auf. Sobald der Zwischenblitz den Boden erreicht, herrscht infolge des Kurzschlusses wieder ein starker Elektronenstrom, wobei das Blitzleuchten erneut himmelwärts durchzündet. Der zweite Hauptblitz ist jedoch meist schwächer als der erste. Weitere Zwischen- und Hauptblitze können sich entlang des gleichen Kanals bewegen; im Durchschnitt enthält ein Blitz vier Hauptblitze mit abnehmender Intensität. Für das Auge erscheint eine solche Sequenz als ein Flackern des Blitzes.

 

Seltener kommt es vor, dass der Vorblitz von einem erhöhten Punkt der — in diesem Fall negativ geladenen — Erde ausgeht und in einen überhängenden Teil der oberen, positiv geladenen Wolkenschichten einschlägt. Das Verzweigungsmuster des Blitzes ist dann gerade umgekehrt wie im »Normalfall«. Auch hier kommt es meist zu einer Abfolge mehrerer einzelner Blitze im gleichen Kanal.

 

11) Wann wurde der Blitzableiter erfunden?

 

Bereits 1746 äußerte der Leipziger Professor Johann Heinrich Winkler die Vermutung, Blitze seien ebenso wie künstlich erzeugte elektrische Funken eine elektrische Erscheinung. Einen experimentellen Beweis erbrachte Benjamin Franklin, der sich diesem Phänomen zwischen 1749 und 1774 widmete. Franklin erfand den Blitzableiter im Jahr 1752. Bei seinen spektakulären, jedoch sehr riskanten Versuchen ließ er beispielsweise den Strom von einem Blitzableiter durch seinen Körper fließen und Funken zwischen seiner Hand und einem geerdeten Metallstab überspringen. Der schwedische Blitzforscher Georg Wilhelm Richmann wiederholte Franklins Experimente wenige Jahre später in St. Petersburg und kam dabei zu Tode. In Deutschland wurde der erste Blitzableiter 1768 von dem Arzt Johann Reimarus auf dem Turm der Jacobi-Kirche in Hamburg installiert.

 

 Donner

 

12) Wie kommt der Donner zustande?

 

Die Ursache des Donnergeräuschs ist das plötzliche Expandieren der Luft im Bereich des Blitzkanals. Während sich das Gas in Plasma verwandelt, das durch den eskalierenden Stromfluss weiter aufgeheizt wird, entstehen binnen Bruchteilen von Millisekunden in einem zylindrischen Gebiet von wenigen Zentimetern Durchmesser Drücke von mehr als 100 Atmosphären. Die Plasmasäule dehnt sich zunächst mit Überschallgeschwindigkeit aus. Bereits nach ein bis zwei Metern ist die Schockwelle dieser Detonation so weit abgeklungen, dass sie zu einer gewöhnlichen Schallwelle wird. Als Schallquelle fungiert dabei der gesamte Blitzkanal gleichzeitig. Wegen der relativ niedrigen Schallgeschwindigkeit hört ein Beobachter auf der Erde den Donner zunächst (und lauter) von der näher gelegenen Stelle des Blitzeinschlags und dann (mit abnehmender Lautstärke) von den weiter oben befindlichen Bereichen des Blitzes. Die Schallgeschwindigkeit ist zudem in größerer Höhe wegen der geringeren Dichte der Atmosphäre niedriger. Entspringt ein Blitz in drei Kilometer Höhe, so dauert das Donnern rund zehn Sekunden. Da der Schall aber von nahe liegenden Bergen, Gebäuden oder bestimmten Wolkenformen reflektiert wird, lässt sich oft nur schwer beurteilen, wann das Donnern eigentlich beendet ist. Der schwache Donnerschall von Gewittern, die mehr als 25 Kilometer entfernt sind, liegt unterhalb der Hörschwelle des menschlichen Gehörs. Solche Gewitter bezeichnet man auch als Wetterleuchten.

 

 Sicherheitsaspekte

 

13) Ist es gefährlich, bei Gewitter zu duschen oder zu baden?

 

Der Blitzstrom nimmt den Weg des geringsten Widerstands. Wenn ein Blitz ins Haus einschlägt, führt dieser Weg entlang des Blitzableiters oder der Dachrinne und des Regenabflussrohrs. Wasserleitungen sind normalerweise nicht davon betroffen, ebensowenig wie die Abflussrohre von Badewanne oder Dusche. Das Wasser selbst ist ein schlechter elektrischer Leiter. Es erhöht also nicht das Risiko, während eines Gewitters ein Dusch- oder Wannenbad zu nehmen.

 

14) Buchen sollst du suchen, Eichen sollst du weichen, oder?

 

Buchen werden genauso oft vom Blitz getroffen wie Eichen und andere hohe Bäume. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Bäumen besteht in den Auswirkungen eines Einschlags: Bei Buchen wird der Blitzstrom außen an der feuchten Rinde zur Erde abgeleitet, wobei die Rinde meist verkohlt. Bei Eichen fließt der Strom häufig innerhalb des Stamms, der dabei durch die explosionsartige Verdampfung der Feuchtigkeit zerbirst.

 

Generell sollte man vermeiden, während eines Gewitters unter Bäumen Zuflucht zu suchen. Insbesondere isoliert stehende hohe Bäume ziehen Blitze regelrecht an. Am sichersten ist es, sich im Freien auf dem Boden oder in einem Graben hinzukauern und sämtliche Metallgegenstände abzulegen.

 

15) Hilft es, während eines Gewitters Glocken zu läuten?

 

Da Blitze besonders oft in Kirchtürme einschlagen, die sich wegen ihrer Höhe dafür anbieten, hilft das Glockenläuten allenfalls, den Glöckner vom Leben zum Tode zu befördern, besonders dann, wenn der Glockenstrang feucht ist. Im Mittelalter war das Glockenläuten bei Gewitter ein weit verbreiteter Brauch, dem in der Tat viele Glöckner zum Opfer fielen. Mittelalterliche Kirchenglocken trugen die Inschrift »Fulgura frango« (lateinisch: Ich breche die Blitze), doch nach dem heutigen Stand des Wissens war hier wohl der Wunsch der Vater des Gedankens, denn ein Gewitter lässt sich nicht durch Schallwellen beeindrucken. Auch die Variante, mit Kanonen auf die Gewitterwolken zu schießen, ist völlig wirkungslos.

 

Literatur:

 

Leon E. Salanave: Lightning and its spectrum. Tucson, Ariz., 1980.

 Hans Volland: Atmospheric electrodynamics. Berlin 1982.

 Martin A. Uman: All about lightning. Neuausgabe New York 1986.

 Lars Wåhlin: Atmospheric electrostatics. Letchworth 1986.

 Martin A. Uman: The lightning discharge. Orlando, Fla., 1987.

 Günter Borchert: Klimageographie in Stichworten. Berlin ²1993.

 

Handbook of atmospheric electrodynamics, herausgegeben von Hans Volland. 2 Bände. Neuausgabe Boca Raton, Fla., 1995.

 

Die Urgewalten der Natur. Ungebändigte Kräfte, die unsere Welt verändern, bearbeitet von Christof Schmid-Flemmig. Aus dem Französischen, Stuttgart 1998.

 Günther D. Roth: Wetterkunde für alle. München ⁹1999.

 Kristian Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht. Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Heidelberg ²1999.