Wie Blitze entstehen: Was die Wissenschaft sagt

Wie Blitze entstehen: Was die Wissenschaft sagt

Blitze sind elektrostatische Entladungen in der Atmosphäre, die durch die Ansammlung elektrischer Ladung in Wolken verursacht werden. Diese Entladungen entstehen durch den dielektrischen Zusammenbruch der Luft, wenn ein bestimmter elektrischer Feldwert überschritten wird. Dadurch entsteht ein ionisierter Kanal in einem Plasmazustand, der den Ladungstransfer zwischen zwei Punkten ermöglicht. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Entstehung von Blitzen sollen zur Optimierung von Blitzschutzsystemen genutzt werden.

An der Erforschung von Blitzen und verwandten Phänomenen sind verschiedene Bereiche der Physik beteiligt, von der Atmosphärenphysik über die Plasmaphysik bis hin zur Quantenelektrodynamik. Bis heute ist weder der genaue Mechanismus, durch den Blitze in Wolken entstehen, noch der Mechanismus, durch den Blitze in einen bestimmten Punkt einschlagen, vollständig verstanden. Trotz der Schwierigkeiten bei der Untersuchung dieser atmosphärischen Entladungen werden jedoch immer mehr Informationen durch Beobachtungen und Messungen verfügbar. [1].

Im Folgenden wird zusammengefasst, was die Wissenschaft über die Entstehung von Blitzen sagt, wobei der Schwerpunkt auf Blitze von der Wolke zum Boden gelegt wird, da sie für den Schutz vor Gewittern von Bedeutung sind.

Blitzentstehung in Gewitterwolken

Gewitterwolken sind in der Regel vom Typ Cumulonimbus und bilden sich, wenn die Bedingungen für ein vertikales Wachstum der Wolke gegeben sind. Cumulonimbuswolken sind gigantische Wärmemaschinen, die Sonnenenergie in die mechanische Energie von Luftströmungen und die elektrische Energie von Blitzen umwandeln. [2], [3].

Wenn sich Gewitterwolken bilden, wird das Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen in der Atmosphäre gestört, da eine Polarisierung der elektrischen Ladungen stattfindet. So wird der untere Teil der Wolken negativ geladen, was zu einer positiven Aufladung des Bodens und der darüber liegenden Elemente führt. So entsteht ein elektrisches Feld von bis zu zehn Kilovolt.

Die Wolke erhält ihre elektrische Ladung durch verschiedene Elektrifizierungsmechanismen. Man geht davon aus, dass der wichtigste Mechanismus die Kollisionen zwischen millimetergroßen Partikeln aus Weichhagel oder Graupel und kleinen Eiskristallen in Gegenwart von unterkühlten Wassertröpfchen ist. Unterkühltes Wasser zeichnet sich dadurch aus, dass es trotz einer Temperatur unter 0 °C nicht gefroren ist [1]-[4].

Die mikrophysikalischen Entladungsprozesse, die die Leuchtspuren erzeugen, und die Prozesse, die die für die Blitzerzeugung notwendigen elektrischen Felder erzeugen, sind jedoch noch nicht in allen Einzelheiten bekannt. Der physikalische Mechanismus (oder die Mechanismen), durch den/die atmosphärische Entladungen in Gewitterwolken ausgelöst werden, ist also noch nicht geklärt. Denn auch nach jahrzehntelangen Messungen des elektrischen Feldes innerhalb von Wolken konnte ein elektrisches Feld, das ausreicht, um Entladungen auszulösen, noch nicht nachgewiesen werden, zumindest nach dem derzeitigen wissenschaftlichen Konsens [1].

Verbindung der abwärts und aufwärts gerichteten Tracer, die den Wolken-Erde-Strahl bilden

Wenn das elektrische Ionisationsfeld der Luft überschritten wird, kann sich die Luft von einem nahezu perfekten Isolator in ein leitfähiges Medium verwandeln, durch das sich die Ladung der Wolke den direktesten Weg zum Boden sucht. Dabei entsteht eine Leuchtspur oder ein Abwärtssog, der die Wolke mit einem Teil ihrer Ladung verlässt. Sie wird auch als "Stufenleiter" bezeichnet, weil sie sich in diskreten Schritten fortbewegt. Auf dem Weg des Blitzes von der Wolke zum Boden kann sich der Abwärtsleiter in mehrere Zweige aufspalten. [Sie kann sich in jede beliebige Richtung ausbreiten, aber immer in Sprüngen, die von der mit der Entladung verbundenen Stromstärke abhängen.

Sobald der Blitz nahe genug am Boden ist, wird das elektrische Feld auf Bodenniveau angehoben und ein oder mehrere geerdete Elementpunkte beginnen, Koronaentladungen zu entladen [2]. [2]. Dabei handelt es sich um elektrische Entladungen, die durch die Ionisierung des Gases, das einen geladenen Leiter umgibt, entstehen. Von ihnen werden Aufwärtsleiter oder Tracer erzeugt. Der erste Aufwärtsleiter, der den Abwärtsleiter erreicht, erzeugt eine Entladungsstrecke von der Wolke zur Erde. Beim letzten Sprung des Abwärtsleiters ist die Richtung nicht mehr zufällig, sondern wird durch den Aufwärtsleiter in Reichweite bestimmt.

Wenn der Strom von einem Objekt abgefangen wird, sucht er sich den schnellsten Weg zur Erde und erzeugt einen sehr energiereichen Stromimpuls mit einer Amplitude von zehn- oder hunderttausend Ampere (Rückstrom). [2]. Wenn die Wolke nach dem Rückstrom weiter aufgeladen wird, können neue Lichtbögen, so genannte Folgeströme, entstehen.

In der jüngsten Beobachtungsstudie von Saba et al. [5] wurde eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera verwendet, um die Dynamik der Leiter in einem Wolke-Boden-Strahl zu analysieren. . Das Video zu dieser Open-Access-Veröffentlichung ist online verfügbar.

Der untersuchte Einschlag wurde am 30. März 2021 aufgezeichnet, und anhand der Videobilder wurden 31 Aufwärtsleiter von den umliegenden Gebäuden in Richtung der Abwärtsleiter festgestellt. Die Aufwärtsleiter waren durch eine gerade und unverzweigte Ausbreitung gekennzeichnet, während die Abwärtsleiter durch Verzweigungen gekennzeichnet waren. Der Aufwärtsleiter, der sich mit dem Abwärtsleiter verband, war dreimal schneller als der Rest der 31 entdeckten Leiter.

In einer späteren Veröffentlichung, die ebenfalls auf Beobachtungen beruht, analysierten Saba et al. [6] einen früheren Einschlag (vom 1. Februar 2017), der von einem Blitzableiter eines Wohngebäudes abgefangen wurde. In dieser Studie wurden Messungen des elektrischen Feldes, des Stroms und der Geschwindigkeit der Aufwärtsleiter mit Hochgeschwindigkeits-Videokameras, einem elektrischen Feldsensor und Stromsensoren an den Blitzableitern durchgeführt.

Die Autoren beobachteten, dass die Aufwärtsleiter auf die verschiedenen Verzweigungen des Abwärtsleiters reagierten und sich abwechselnd ausbreiteten und verstärkten. Dieses intermittierende Muster hörte kurz vor der Verbindung der Leiter auf, als sich alle abwärts gerichteten Leuchtspuren verstärkten und die aufwärts gerichteten Leiter folglich in ihren Stromimpulsen synchronisiert wurden. [6].

Darüber hinaus verbreiteten sich die von den abwärtsgerichteten Leitbahnen induzierten Aufwärtsleiter mit einer mehr oder weniger konstanten Geschwindigkeit. Der Aufwärtsleiter, der an den Abwärtsleiter anschließt, war der schnellste von allen erzeugten Aufwärtsleitern, gefolgt von dem Aufwärtsleiter, der dem letzten Sprung oder dem Endsprung am nächsten ist. Der Aufwärtsleiter, der sich an den Abwärtsleiter anschließt, erfuhr dagegen kurz vor dem letzten Sprung einen Geschwindigkeitsanstieg, der schätzungsweise mindestens 45-mal höher war als die Durchschnittsgeschwindigkeit des Aufwärtsleiters. Ebenso wurde der höchste Gleichstrom auf dem stromaufwärts gelegenen Leiter gemessen, der mit dem stromabwärts gelegenen Taster verbunden war [6].

Wissenschaftlich fundierter intelligenter Blitzschutz

Wissenschaftliche Erkenntnisse über das Blitzphänomen sind entscheidend für die Optimierung von Blitzschutzsystemen. Early Streamer Emission-Geräte (ESE Air Terminals) basieren auf der kontinuierlichen Emission des aufwärts gerichteten Tracers vor jedem anderen Objekt innerhalb ihres Schutzradius. Anstatt eines zufälligen Prozesses wie beim konventionellen Schutz zeichnen sich ESEs dadurch aus, dass sie die Emission der Leuchtspur zum richtigen Zeitpunkt steuern und so einen größeren Bereich abdecken können.

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Referenzen

[1] J. R. Dwyer und M. A. Uman, 'The physics of lightning', Phys. Rep. vol. 534, no. 4, pp. 147-241, 2014.

[2] V. Cooray, An Introduction to Lightning. Springer Niederlande, 2015.

[3] C. Gomes, Hrsg., Lightning, Bd. 780. Springer Singapur, 2021.

[4] M. A. Cooper und R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.

[5] M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso, and C. L. da Silva, 'Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure', Geophys. Res. Lett., Bd. 49, Nr. 24, Dez. 2022.

[6] M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva, and F. de L. Mantovani, 'Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud-to-ground flash', J. Geophys. Res., Bd. 128, Nr. 8, Apr. 2023.