Entstehung von Gewittern und Blitzentladungen

Entstehung einer GewitterzelleGewittermeteorologie

Voraussetzung für die Entstehung von Gewittern ist, dass warme Luftmassen mit ausreichend hoher Feuchtigkeit in große Höhe transportiert werden. Dies kann auf dreierlei Weise geschehen:

Bei Wärmegewittern wird der Boden lokal durch intensive Sonneneinstrahlung erhitzt. Die bodennahen Luftschichten werden hierdurch erwärmt, werden relativ leicht und steigen auf. Bei Frontgewittern schiebt sich als Folge eines Kaltfronteinbruchs kühle Luft unter die warme und drückt diese nach oben. Bei orographischen Gewittern wird warme, bodennahe Luft durch Überströmen ansteigenden Geländes angehoben.

Der vertikale Auftrieb der Luftmassen wird durch zwei Effekte verstärkt:

Die aufsteigende Luft kühlt sich ab und erreicht schließlich die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes. Hierbei bilden sich Wassertröpfchen und damit Wolken. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die die Luft wieder erwärmt, leichter macht und somit weiter aufsteigen lässt. An der 0°-Grenze beginnen die Wassertröpfchen zu gefrieren. Hierbei wird wiederum Gefrierwärme frei, die die Luft abermals erwärmt und auftreibt.

Es bilden sich Aufwindschläuche mit Vertikalgeschwindigkeiten bis etwa 100 km/h, die mächtig aufgetürmte, ambossförmige Quellwolken von typisch 5-12 km Höhe und 5-10 km Durchmesser erzeugen.

Durch elektrostatische Ladungstrennungsprozesse, z. B. Reibung und Zersprühen, werden die Wassertröpfchen und Eispartikel in der Wolke aufgeladen. Die positiv geladenen Teilchen sind üblicherweise "leichter" als die negativ geladenen, d.h. ihre Angriffsfläche für den Aufwind ist relativ groß bei relativ geringem Gewicht. Somit kann die vertikale Luftströmung eine großflächige Ladungstrennung bewirken: Im oberen Teil der Gewitterwolke werden Partikel mit positiver Ladung, im unteren Teil Partikel mit negativer Ladung angehäuft. Am Fuß der Wolke findet sich nochmals ein kleines positives Ladungszentrum, das wahrscheinlich aus der positiven Koronaladung entsteht, die von Spitzen am Boden, z. B. an Pflanzen, unter der Gewitterwolke infolge des hohen elektrischen Bodenfeldes abgesprüht und durch den Wind hochtransportiert wird.

Bild 2.1a: Aufbau einer Gewitterzelle

Aus elektrophysikalischer Sicht ist ein Gewitter also ein gigantischer elektrostatischer Generator mit Wassertröpfchen und Eispartikeln als Ladungsträger, mit dem Aufwind als Ladungstransportmittel und der Sonne als Energielieferant, die durch Wärmestrahlung erdnahe Luftschichten aufheizt und durch Verdunsten von Wasser für Feuchtigkeit sorgt. Am Rand erwähnt sei, daß die Gewitterbeobachtungen und auch die Blitzzählungen jüngerer Zeit keinen Anhaltspunkt dafür liefern, dass es sogenannte Blitznester gibt, die von manchen als Folge geologischer Unregelmäßigkeiten vermutet werden.

Aufbau einer Gewitterzelle

Die Wolkenkonfiguration eines Gewitters beinhaltet in der Regel mehrere Gewitterzellen von einigen Kilometern Durchmesser, wobei jede Zelle nur etwa 30 Minuten aktiv ist und hierbei im Mittel 2-4 Blitze je Minute erzeugt. Die Gewitterzellen können in verschiedenen Reifestadien, dem Aufbaustadium, der aktiven Phase und dem Abbaustadium, nebeneinander existieren. Den typischen Aufbau einer Gewitterzelle, wie sie sich bei einem örtlich fixierten Wärmegewitter entwickelt, zeigt das folgende Bild.

Bild 2.2a Typische Zelle eines Wärmegewitters

Die Gewitterzelle erstreckt sich oft bis in Höhen über 10 km, während die Wolkenuntergrenze meist bei 1-2 km liegt. Die Temperatur baut sich mit der Höhe ab: von einer Bodentemperatur um +25 °C bis zu einer Temperatur an der Wolkenobergrenze um -50 °C.

Im oberen Teil der Zelle befinden sich auf Eiskristallen vorherrschend positive Ladungen, im unteren Teil auf Regentröpfchen vorherrschend negative Ladungen. Bei Frontgewittern und orographischen Gewittern kann die Ladungsverteilung in den Gewitterzellen stark verschieden von der eines Wärmegewitters sein. Den aus Bild 2.2a abgeleiteten, stark schematisierten Ladungsaufbau einer Gewitterzelle zeigt Bild 2.2b.

Bild 2.2b Schematischer Aufbau der Gewitterzelle und Verlauf der elektrischen Bodenfeldstärke

Die positiven und negativen Raumladungsdichten betragen einige nC/m³ (1 nC = 10^-9 As/m³), wobei in Bereichen von einigen 100 m Durchmesser auch Ladungsdichten bis zu einigen 10 nC/m³ herrschen können. Im Bild 2.2b ist der örtliche Verlauf der fiktiven elektrischen Feldstärke auf dem Boden angegeben, der sich durch die idealisierten positiven und negativen kugelförmigen Ladungsgebiete bei einer angenommenen Raumladungsdichte von 1,5 nC/m³ (bei Vernachlässigung der positiven Koronaladungen) ergeben würde: Der Maximalwert würde hier über 50 kV/m betragen. Sobald aber die Bodenfeldstärke einige kV/m erreicht, werden insbesondere von den Gras- und Blattspitzen des Bodenbewuchses positive Koronaladungen abgesprüht: Die Flächenstromdichte kann - mit steigender Feldstärke rasch zunehmend - Werte bis etwa 10 nA/m² (1 nA = 10^-9 A) erreichen. Diese positiven Koronaladungen mit Konzentrationen um 1 nC/m³ reduzieren in einem sich selbst stabilisierenden Prozess die Bodenfeldstärke auf maximale Werte um 10 kV/m auf dem Land. Über Wasser dagegen können, je nach Seegang, die Bodenfeldstärken bis zu einigen 10 kV/m ansteigen, da hier die Wellenspitzen erst bei höheren Bodenfeldstärken merkliche Koronaladungen absprühen.

BlitzentladungBlitztypen

Die lokalen Raumladungsdichten in einer Gewitterzelle weisen große Unterschiede auf. Wenn in Folge einer zufällig vorhandenen Raumladungskonzentration die örtliche Feldstärke Werte von einigen 100 kV/m erreicht, können, von Regentröpfchen oder Eispartikeln ausgehend, sogenannte "Leader"-Entladungen bzw. Leitblitze entstehen, die eine Blitzfunkenentladung einleiten. Wolke-Wolke-Blitze führen einen Ausgleich zwischen positiven und negativen Wolkenladungszentren herbei. Wolke-Erde-Blitze neutralisieren Wolkenladungen und die auf der Erdoberfläche influenzierten Ladungen.

Bild 3.1a Wolke-Erde-Blitz, erkennbar an den zur Erde gerichteten Verästelungen
(in Anlehnung an eine Blitzphotographie von der Blitzforschungsstation auf dem Monte San Salvatore)

Die Wolke-Erde-Blitze sind an den zur Erde gerichteten Verästelungen der Leitblitze erkennbar (Bild 3.1a). Am häufigsten treten negative Wolke-Erde-Blitze auf, bei denen sich von der Gewitterwolke ein mit negativer Wolkenladung gefüllter Ladungsschlauch zur Erdevorschiebt. Positive Wolke-Erde-Blitze können aus dem unteren positiven Ladungsbereich entstehen; Wolke-Erde-Blitze aus dem oberen positiven Ladungszentrum sind relativ selten und werden wohl nur am Ende der aktiven Phase einer Gewitterzelle zu finden sein, wobei sich nach einem Abbau des negativen Ladungszentrums das positive Ladungszentrum durch einen einzelnen, kräftigen Blitz zur Erde entladen kann.

Von Bergspitzen und hohen Türmen, wie z. B. Fernsehtürmen, können auch Erde-Wolke-Blitze mit zur Wolke gerichteten Verästelungen ausgehen (Bild 3. 1b). Hierbei wächst von der Erde ein Leitblitz zur Wolke vor.

Bild 3.1b Erde-Wolke-Blitz, erkennbar an den zur Wolke gerichteten Verästelungen.
(in Anlehnung an eine Blitzphotographie von einem Einschlag in den Turm der Blitzforschungsstation auf dem Monte San Salvatore.)

Eine Zusammenstellung der möglichen Blitztypen findet sich in Bild 3.1c.

Bild 3.1c Typen von Blitzen zwischen Wolke und Erde

Für die getroffenen Objekte stellen die Wolke-Erde-Blitze eine härtere Beanspruchung dar als die Erde-Wolke-Blitze; sie werden deshalb der Bemessung von Blitzschutzmaßnahmen zu Grunde gelegt. Für die Gefährdung von elektrischen Anlagen (z. B. Rechenzentren) sind auch die Wolke-Wolke-Blitze wegen ihrer abgestrahlten elektromagnetischen Impulsfelder (LEMPs) zu berücksichtigen.

Wolke-Erde-Blitze

Die Entstehung des Wolke-Erde-Blitzes soll am Beispiel des am häufigsten auftretenden, negativen Typs erläutert werden:

Bild 3.2a Schematisierte Entwicklung des Leitblitzes und der Fangentladung eines negativen Wolke-Erde-Blitzes

Bild 3.2b: Schematische Darstellung des Vorwachsens des Leitblitzes, der Fangladung und des Hauptblitzes

Aus dem negativen Ladungszentrum der Gewitterwolke schiebt sich ein mit Wolkenladung gefüllter, zylinderförmiger Schlauch mit einem Durchmesser von einigen 10 Metern und einem dünnen, hochionisierten Plasmakern mit einem Durchmesser von etwa 1 cm ruckweise zur Erde vor (Bild 3.2a). Dieser sogenannte Leitblitz hat eine Vorwachsgeschwindigkeit in der Größenordnung von einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit, also 300 km/s. Der Leitblitz wächst ruckweise in Abschnitten von einigen 10 m vor, wobei die Pause zwischen den Ruckstufen einige 10 Mikrosekunden beträgt (Bild 3.2b).

Wenn sich der Leitblitz der Erde bis auf einige 10 bis einige 100 m genähert hat, erhöht sich beispielsweise an den dem Leitblitzkopf nahe gelegenen Spitzen von Bäumen oder Giebeln von Gebäuden die elektrische Feldstärke so stark, dass schließlich die elektrische Festigkeit der Luft überschritten wird und von dort aus nun ebenfalls eine dem Leitblitz ähnliche, einige 10 bis einige 100 m lange sogenannte Fangentladung ausbricht, die dem Leitblitz entgegenwächst und schließlich mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft. Damit ist die Einschlagstelle des Blitzes festgelegt, der Leitblitz ist "geerdet" (Bilder 3.2a und 3.2b).

Bild 3.2c: Entladung des Leitblitzschlauches durch den Hauptblitz.

Nunmehr "frisst" sich die Fangentladung mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit, also 100 000 km/s, in den mit Ladung angefüllten Schlauch des Leitblitzes hinein und führt die gespeicherte Ladung in einigen 10 bis einigen 100 Mikrosekunden zur Erde ab (Bild 3.2c). Dieser Vorgang wird als die eigentliche, grell aufleuchtende Blitzentladung sichtbar. Hierbei heizt sich der durch den Leitblitz geschaffene Funkenkanal durch den Hauptblitz auf Temperaturen von einigen 10.000 °C auf, wobei sein Druck auf die Größenordnung des 100-fachen des normalen Luftdruckes ansteigt. Während dieser schlagartigen Entladung des Leitblitzschlauches, die als Hauptentladung bezeichnet wird, fließt ein sehr hoher, kurzzeitiger Stoßstrom über das getroffene Objekt. Der Donner entsteht durch die Explosion des Funkenkanals in Folge seines Überdrucks.

Bei einem negativen Wolke-Erde-Blitz steigt der Stoßstrom der Blitzentladung im Mikrosekundenbereich auf seinen Maximalwert von typisch einigen 10 kA an und geht mit einer Rückenhalbwertzeit von typisch einigen 10 Mikrosekunden annähernd exponentiell wieder zurück. Die mit dem Stoßstrom transportierte Ladung beträgt typisch einige Amperesekunden. Das Beispiel eines solchen Blitzstromes zeigt Bild 3.2d.

Bild 3.2d Zeitlicher Verlauf des Stoßstromes eines überdurchschnittlichen negativen Wolke-Erde-Blitzes (nach Prof. Berger)

Einen prinzipiell ähnlichen Verlauf weisen auch die Stoßströme der positiven Wolke-Erde-Blitze auf. Bei der Entladung aus dem oberen positiven Ladungszentrum dauern allerdings die positiven Stoßströme im Durchschnitt rund 10-mal länger und transportieren somit eine wesentlich größere Ladung als die negativen Stoßströme (Bild 3.2e). Deshalb stellen diese Blitze eine besondere Gefährdung für die getroffenen Objekte dar.

Bild 3.2e Zeitlicher Verlauf des Stoßstromes eines positiven Wolke-Erde-Blitzes (nach Prof. Berger)

Die negativen Wolke-Erde-Blitze weisen als Besonderheit mehrfache Entladungen, sogenannte multiple Entladungen auf (Bild 3.2f). Diese entstehen dadurch, daß sich nach einer Pause von einigen 10 bis 100 Millisekunden in der noch ionisierten Funkenbahn der ersten Entladung ein neuer Leitblitz von der Gewitterwolke zur Erde vorschiebt. Da dieser Leitblitz bereits eine vorgezeichnete Bahn vorfindet, wächst er ohne Ruckstufen mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit in der Größenordnung von einem Hunderdstel der Lichtgeschwindigkeit voran. Der sich anschließende Hauptblitz hat einen erneuten Stoßstrom über das getroffene Objekt zur Folge. Es wurden bis zu einigen 10 solcher aufeinanderfolgender Teilblitze registriert, wobei die Gesamtdauer einer solchen Blitzentladung eine Sekunde überschreiten kann (Bild 3.2g).

Bild 3.2f: Multipler negativer Wolke-Erde-Blitz

Bild 3.2g: Stromverlauf einer multiplen negativen Wolke-Erde-Blitzentladung (nach Prof. Berger)

Bei manchen Blitzentladungen kann sich auch ein sogenannter Stromschwanz an einen Teilstoßstrom anschließen. Hierbei fließt für einige 10-tel Sekunden ein Strom von einigen 100 Ampere, der insbesondere für die Zündung von Bränden verantwortlich ist (Bilder 3.2f und g). Dieser Stromschwanz entsteht im Prinzip wahrscheinlich durch einen in den Wolke-Erde-Blitz eingelagerten Erde-Wolke-Blitz.

Bild 3.2h: Mehrfachentladung eines negativen Wolke-Erde-Blitzes mit vom Gewitterwind getrennten Funkenbahnen

Die Mehrfachentladungen können oft auch mit normalen Kameras nachgewiesen werden, da der Gewitterwind die Funkenbahnen der einzelnen Teilblitze räumlich voneinander trennt (Bild 3.2h: Die abwärts gerichteten Verästelungen des ersten Teilblitzes links im Bild deuten auf einen Wolke-Erde-Blitz, die Mehrfachentladungen auf einen negativen Blitz hin. Die Folgeentladungen haben keine Verästelungen. Offenbar war die Pausenzeit zwischen der ersten und der zweiten Entladung so lange, daß sich die zweite Entladung im unteren, erdnahen Teil einen neuen Weg suchte. Die Spur des letzten Teilblitzes rechts im Bild zeigt einen Lichtschleier, der auf einen sich anschließenden Stromschwanz hinweist.)
Bei positiven Wolke-Erde-Blitzen aus dem oberen Ladungszentrum konnten bisher keine multiplen Entladungen nachgewiesen werden, wohl aber Stromschwänze, die während einiger 10 bis einiger 100 Millisekunden erhebliche Ladungsmengen von einigen 10 bis einigen 100 Amperesekunden transportieren.

Erde-Wolke-Blitze

An sehr hohen Objekten, wie Kirch- und Funktürmen, oder auf Bergspitzen, können im Gegensatz zu den oben beschriebenen Wolke-Erde-Blitzen, bei denen der Leitblitz von der Gewitterwolke zur Erde vorwächst, Erde-Wolke-Blitze entstehen (Bild 3.1b). Hierbei wird die zur Auslösung einer "Leader"-Entladung notwendige hohe Feldstärke nicht in der Wolke, sondern in Folge der extrem feldverzerrenden Wirkung an der Spitze des exponierten Objektes erreicht und es schiebt sich von hier ausgehend ein Leitblitz mit seiner Ladungshülle zur Wolke vor. Hierbei fließt aus dem Objekt für einige zehntel Sekunden ein Strom von typisch einigen 100 Ampere (ähnlich dem Stromschwanz bei den Wolke-Erde-Blitzen).

An einen solchen Erde-Wolke-Blitz kann sich wiederum in Folge des durch ihn geschaffenen Funkenkanals ein Wolke-Erde-Blitz anschließen. Diesem Auslösemechanismus der Erde-Wolke-Blitze ist zuzuschreiben, dass hohe Objekte während eines Gewitters mehrere Male getroffen werden können.

LiteraturEntstehung einer Gewitterzelle Golde, R. H.: Lightning Protection. Edward Arnold Ltd. London, 1973. Golde, R. H.: Lightning, Vol. 1. Academic Press, London, New York, San Francisco, 1977. Baatz, H.: Mechanismus der Gewitter. VDE-Schriftenreihe Bd. 34. VDE-Verlag, Berlin und Offenbach, 1985. The Earth's Electrical Environment. National Academy Press, Wash. D.C., 1986. Uman, M.: The lightning discharge. Intern. Geophysics Series, Vol. 39. Academic Press, London, New York, San Francisco, 1987.Blitzentladung Baatz, H.: Mechanismus der Gewitter. VDE-Schriftenreihe Bd. 34, VDE-Verlag, Berlin und Offenbach, 1985. Berger, K.; Vogelsanger, E.: Fotographische Blitzuntersuchungen der Jahre 1955 1965 auf dem Monte San Salvatore. Bull. SEV Schweiz. Elektr.-tech. Verein 57 (1966), S. 599-620. Golde, R. H.: Lightning, Vol. 1. Academic Press, London, New York, San Francisco, 1977. Golde, R. H.: Lightning Protection. Edward Arnold Ltd., London, 1973. The Earth's Electrical Environment. National Academy Press, Wash. D.C., 1986. Uman, M.: The lightning discharge. Intern. Geophysics Series, Vol.39. Academic Press, London, New York, San Francisco, 1987. Berger, K.: Novel Observations on Lightning Discharges; Results of Research on Mount San Salvatore. Journ. Franklin Inst., 283 (1967), S. 478-525. Wiesinger, J.: Blitzforschung und Blitzschutz. Deutsches Museum. 40 (1972) H. 1/2. R. Oldenbourg Verlag, München. Uman, M.: The lightning discharge. Intern. Geophysics Series, Vol.39. Academic Press, London, New York, San Francisco, 1987.

entnommen aus:
Hasse P.; Wiesinger, J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. 4. Auflage 1993, R. Pflaum Verlag München/VDE-Verlag Berlin-Offenbach (5. Neuauflage wird im Herbst 2005 erscheinen).

mit freundlicher Genehmigung der Autoren