Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Mittelstufe

Blitze in Gewittern

  • Was sind elektrische Ladungen?
  • Welche besonderen Eigenschaften hat Bernstein?
  • Woher kommt der Name „Elektron“?
  • Gibt es eine kleinste Ladung?

Blitze in Gewittern

Hinweise:
Ein großer Teil der Informationen, Skizzen und Bilder auf dieser Seite wurden der leider nicht mehr zugänglichen Blitzseite von Ulli Finke (DLR) entnommen.
Weiter enthält diese Seite einige Begriffe, die in der 7. Klasse noch nicht erklärt wurden.

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. Bei uns und in den mittleren Breitengraden können Gewitterwolken bis in Höhen von 13 km reichen.

Vom Schönwetterfeld zum Blitz

Vom Schönwetterfeld zum Leitblitz
Abb.
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Vom Schönwetterfeld zum Leitblitz

Schönwetterfeld

In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von etwa \(100\,\rm{\frac{V}{m}}\) bis \(300\,\rm{\frac{V}{m}}\) zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (in ca. \(50\,\rm{km}\) Höhe). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluss dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke \(1000\,\rm{A}\) vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab. Es ist daher ein entgegengesetzter Ladevorgang notwendig, um das elektrische Feld aufrecht zu erhalten. Dieses Aufladen des 'Erdkondensators' wird durch Gewitter besorgt.

Ladungstrennung

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 Wechselwirkungsprozessen zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen positiv geladen, während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine großräumige Trennung 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.

Fangentladung, Hauptblitz und Ladungsdeposition
Abb.
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Fangentladung, Hauptblitz und Ladungsdeposition

Fangentladung

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 Leitblitz 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.

Hauptblitz

Abläufe bei einem Wolke-Erde Blitz
Abb.
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Abläufe bei einem Wolke-Erde Blitz

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 Temperaturen bis zu \(30000\,^{\circ}\rm{C}\) erreicht werden können. Die Stromstärke kann über \(100\,\rm{kA}\) betragen.

Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus. Dabei entsteht eine Druckwelle von der intensive Schallwellen ausgehen - der Donner. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab.

Die Hauptentladung (engl. Return-Stroke) 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 Hauptentladungen, die den Kanal des ersten Blitzes nutzen. Die Zeit zwischen den einzelnen Entladungen liegt bei \(50-100\,\rm{ms}\). Die Folge dieser Entladungen bilden das charakteristische Flackern des Blitzes.

Ladungsdeposition

Die meisten Blitze haben negative Ladung zur Erde transportiert, es verbleibt daher nach Wolkenauflösung eine größere Anzahl positiver Ladungsträger in der oberen Troposphäre.

Blitzarten

Blitzentladungen werden unterschieden nach Richtung des Leitblitzes und danach, ob die Erde nach dem Blitz positiver oder negativer geladen ist. So ergeben sich die folgenden vier Blitzarten:

Verschiedene Blitzarten in schematischer Darstellung
Abb.
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Verschiedene Blitzarten in schematischer Darstellung

Etwa 90% der Blitze sind negative Wolke-Erde Blitze. Diese werden in der Wolke initiiert, breiten sich zur Erdoberfläche aus und transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche. Achtung, der Ladungstransport erfolgt bei allen Blitzarten zum größten Teil über Elektronen, da diese leichter und beweglicher im E-Feld sind. Bei negativen Blitzen fließen diese aus der Wolke in den Erdboden, bei positiven Blitzen vom Erdboden in die Wolken.

Blitze treffen meist hohe Bauwerke, Bäume oder Berggipfeln oder gehen von diesen aus. Die Feldstärke ist in der Umgebung dieser Spitzen besonders hoch, so dass sie ein Ziel für Leitblitze bieten oder ein Leitblitz von ihnen nach oben ausgelöst werden kann. Auch finden viele Entladungen innerhalb einer Wolke statt und werden durch das Aufleuchten ganzer Wolkenbereiche sichtbar. Ein Teil dieser Entladungen kann in einen Erdblitz übergehen.

Bündelung mehrerer Blitze in einem Turm
Abb.
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Bündelung mehrerer Blitze in einem Turm
Zuschnitt von LEIFIphysik

In jüngster Zeit wird versucht, Blitze kontrolliert auszulösen und somit "unschädlich" zu machen. Dies hätte z.B. Vorteile für den sicheren Start und die Landung von Flugzeugen. Eventuell könnte man auch an die Gewinnung elektrischer Energie denken.

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