Читать книгу Auch ein Stern - Ewald Peischl - Страница 6

Blitze entstehen in einem Gewitter. Unter einem Gewitter versteht man eine meteorologische Erscheinung, die durch gegensätzliche Ladungen innerhalb von Gewitterwolken und der Erde mit daraus folgenden Blitzen entsteht. Etwa 10% der Blitze treffen die Erde.

Selbst für den modernen Menschen sind Gewitter mit Blitz und Donner immer bedrohlich und faszinierend zugleich.

Entstehung von Gewitterwolken

Voraussetzung für das Entstehen eines Gewitters ist das rasche Aufsteigen von Luftmassen.

Dabei gelangt die im Vergleich zur Umgebung relativ wärmere und feuchtere Luft in höhere Regionen, deren Luftfeuchte durch Abkühlung kondensiert.

Diese bildet sich in 3 bis 4 km Höhe, kann aber an ihrer Oberseite Höhen bis zu 18 km erreichen. In nördlichen Breiten reichen Gewitterwolken bis ca. 8 km hoch - in den Tropen aber bis zu ca. 16 km.

Gewitterwolken besitzen enorme Mengen an Wasserdampf und damit eine große Energiemenge. So besitzt eine Gewitterwolke mit den Ausmaßen von 2 km mal 2 km bei einer Höhe von 10 km ein Gewicht von rund 200.000 Tonnen = 200 Millionen Kilogramm. Dabei wurde eine mittlere Temperatur von 0° C angenommen - dann sind ca. 5 Gramm Wasserdampf in 1 m³ Luft gelöst.

Allgemeines

Der Blitz ist eine faszinierende, jedoch auch beängstigende Erscheinung, mit der sich die Menschheit von Anfang an beschäftigte.

Grundlagen / Positive und negative LadungenEs gibt prinzipiell positive Ladungen, das sind die Protonen im Atomkern der Materie und negative Ladungen, das sind die in der Hülle oder auch davon gelöst vorkommenden Elektronen. In einem elektrisch neutralen Atom bzw. Molekül, wie einem Sauerstoff- oder Wassermolekül befinden sich genauso viele Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie es im Kern Protonen gibt. Werden ein oder mehrere Elektronen aus dem Atom (Molekül) entfernt, so besitzen die abgetrennten Elektronen eine negative Ladung und das Atom (Molekül) ist dadurch positiv geladen. Eine positive Ladung von Atomen bzw. Molekülen bedeutet daher den Verlust eines oder mehrerer Elektronen. Ein Strom in Leitern wie z.B. Kupferkabeln besteht in der Bewegung von Elektronen, die von dem Minuspol, - der einen Überschuss an Elektronen besitzt - zum Pluspol fließen. Aber bei Blitzen entlädt sich eine Wolke nicht über Elektronen sondern über negativ geladene Ionen - und in rund 5% der Fälle kommt es durch Entladung der oberen Schichten der Wolken zu einem "positiven" Blitz, also zum "Transport" von positiv geladenen Ionen. Diese Ionen sind Sauerstoff-, Stickstoff- oder Wasser-Ionen.

Entstehung von Blitz und DonnerBlitze entstehen aufgrund unterschiedlicher Ladungen sowohl innerhalb der Wolke als auch zwischen Wolke und Erde. Ladungsunterschiede innerhalb von Wolken führen zu einem Ladungsausgleich innerhalb der Wolken und damit zu Wolkenblitzen. Bei dem Ladungsausgleich zwischen einer Wolke und der Erde kommt es zu den für den Menschen, Tiere und Gegenstände gefährlichen Erdblitzen, die allerdings nur einen geringen Teil (etwa 10%) aller Blitze ausmachen. Die Ladungen entstehen durch starke Reibungskräfte innerhalb der Wolke. Diese kommen durch die starken Auf- und Abwinde innerhalb einer Gewitterwolke zustande..

Das typische Leuchten eines Blitzes rührt von dem im Blitzkanal entstandenen Plasma her.

Da der Blitz die Luft innerhalb des Blitzkanals auf bis zu 30.000 Grad Celsius erwärmt, kommt es zu einer starken Ausdehnung der erhitzten Luft und anschließend zu einer Kompression der "zurückströmenden" Luft, was zu einer starken und hörbaren Druckwelle, dem Donner, führt.

Die Länge eines Blitzes von einer Wolke bis zur Erde beträgt etwa 2-5 km, die von Wolke zu Wolke etwa 7 km, obwohl auch hin und wieder sehr viel längere Blitze beobachtet wurden. Der Durchmesser des Blitzkanals beträgt ca. 12 mm, bei Stromstärken von ca. 5.000 bis 200.000 Ampere - wobei der durchschnittliche Blitz in Europa im Mittel „nur“ Stromstärken von ca. 10.000 A besitzt. Blitze mit 200.000 A sind extrem selten und treten meist bei Wolken-Wolkenblitzen auf. Die elektrische Spannung eines Blitzes kann einige 100 Mio. Volt betragen. Dies ist die Spannung zwischen dem Einschlagsort auf der Erde und der Wolke oder zwischen zwei Wolken, zwischen denen ein Blitz entstanden ist.

Dauer und Ausbreitungsgeschwindigkeit Der so genannte Vorblitz besitzt - wie erwähnt - eine Dauer von 0,01 bis 0,02 Sekunden. Bei einer angenommenen Weglänge des Blitzes von 3 km hätte der Vorblitz damit eine Geschwindigkeit von 300 km/s. Der Hauptblitz besitzt dagegen besitzt eine Dauer von 30 μ s = 10^-6 s. Bei der Weglänge von 3 km hätte der Hauptblitz damit eine Geschwindigkeit von 100.000 km/s. Die Werte der beiden Geschwindigkeiten ergeben sich aus der Division der Blitzlänge und der Blitzdauer (Geschwindigkeit = Weg durch Zeit)

Energie eines Blitzes

Trotz der riesiger Spannungen bis einigen zig Millionen Volt und von Stromstärken bis zu 100.000 Ampere ist die in einem Blitz transportierte Energie wegen der extrem kurzen Entladungszeiten eher gering. Dazu folgendes Beispiel:

Die in einem Blitz transportierte Energie berechnet sich aus seiner elektrischen Leistung multipliziert mit der Zeitdauer der Entladung. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Ein Blitz mittlerer Stärke besitze eine Spannung von 10.000.000 Volt bei einer Stromstärke von 10.000 Ampere. Die Zeitdauer des Blitzes sei 30 Mikrosekunde (30·10^-6 s) Mit diesen Werten folgt für die durch einen derartigen Blitz transportierte Energie: 10.000.000 · 10.000 · 30·10^-6 = 3.000.000 Wattsekunden = 833 Wh (Wattstunden) = 0,833 kWh (Kilowattstunden)

Direkter Einschlag In diesem Fall schlägt der Blitz direkt in den Menschen ein, z.B. in den Kopf. Derartige Ereignisse sind zwar eher selten, enden dann aber eher tödlich.

Überschlagseffekt Der Blitz schlägt in ein Objekt ein, z.B. in einen Baum, und springt von dort auf in der Nähe (< 5m) stehende Person über und durchläuft danach die Person ähnlich wie beim direkten Einschlag. Diese Art der Schädigung ist die häufigste und endet häufiger tödlich. Besonders tragisch endete ein derartiger Überschlagseffekt Ende Juni 2012 auf der Golfanlage Waldeck bei Korbach in Hessen für vier Frauen, die in einer Holzhütte ohne Blitzschutz Schutz gesucht hatten. Drei Frauen kamen dabei sofort ums Leben, die vierte verstarb im Krankenhaus, als Blitze in die Hütte einschlugen.

Kontakteffekt Der Blitz schlägt in ein Objekt ein, das mit einer Person in direktem Kontakt steht, z.B. in einen Regenschirm, einen Golfschläger oder einen Bergsteigerpickel. Dabei entlädt sich der Blitz dann über die Kleidung oder die Haut der betroffenen Person

Schritteffekt Sofern ein Blitz in den Boden einschlägt, baut sich ein starkes elektrisches Feld auf. Dieses Feld führt zu einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Beinen einer in der Nähe befindlichen Person. Dadurch fließt ein Strom, der selten tödlich, aber zu erheblichen muskulären Reaktionen führen kann. Infolgedessen kann es zu Prellungen und sogar Brüchen kommen.

Über Elektroanschlüsse Sofern man z.B. telefoniert und ein Blitz in eine in der Nähe befindliche Telefonleitung einschlägt, kann es zu Spannungsüberschlägen mit (starken) Verbrennungen kommen.

Blitzeinschlag

Haben sie schon einmal erlebt, wenn ein Blitz in unmittelbarer Nähe einschlägt. Ein Ohrenbetäubender Knall folgt ihm. So ein Erlebnis hatte ich einmal. Neben mir schlug der Blitz in ein Wohnhaus ein. Es dauerte nicht lange und der Dachstuhl stand in Flammen. Damals hatte ich noch kein Handy. So schnell ich konnte fuhr ich zum Feuerwehrhaus und drückte die Sirene. Bald konnte die Feuerwehr ihr Löschwerk aufnehmen. Der Dachstuhl jedoch war nicht mehr zu retten.

Welche Kraft ein Blitz haben kann merkt man erst, wenn man ihn unmittelbar erlebt.