Blitz und Donner - Wie entstehen eigentlich Gewitter?

Wir alle haben lange unter der Hitze gestöhnt und sehnlichst darauf gewartet, dass endlich ein Gewitter kommt und uns Regen und lang ersehnte Abkühlung bringt. In den letzten Tagen hat es dann über der Schweiz gehörig geblitzt und gerumpelt…denn Gewitter bringen noch mehr als Regen: Blitze und Donner nämlich. Und um die soll es heute gehen.

Wie entstehen eigentlich Gewitter?

Sicher habt ihr schon beobachtet, dass Gewitter sich durch riesige Wolkenberge am Horizont ankündigen. Diese Wolkenberge werden immer schwärzer und bedrohlicher, während sie sich nähern. Irgendwann schliesslich blitzt und kracht es ganz gewaltig, und der Himmel öffnet seine Schleusen für stürmische Windböen und einen mächtigen Regenguss.

Damit Wolken überhaupt entstehen, muss allerdings erst einmal Wasser verdunsten. Das bewerkstelligt die warme Sommersonne, die auf Gewässer und feuchten Erdboden scheint. Das flüssige Wasser wird mit Hilfe der Sonnenenergie gasförmig, sodass die einzelnen Teilchen des Wasserdampfs sich in der Luft verteilen können – die somit feucht wird.

Schwülwarme Luft + Kaltfront = Gewitterwolken

Wenn es dann so richtig düppig bzw. schwül, d.h. feuchtwarm ist und ein Schwall kühlerer Luft (eine “Kaltfront”) auf den feuchtwarmen Teil der Atmosphäre zustrebt, schiebt sich die kalte Luft zunächst über die warme Schicht. Wer allerdings schon einmal Heissluftballon gefahren ist, weiss, dass warme Luft stets nach oben steigt (weil warme Luft eine geringere Dichte hat als kühlere). So steigt die feuchtwarme Luft in die kalte Schicht auf und wird dabei abgekühlt.

Warum wird die aufsteigende Luft kühl?

Das Abkühlen rührt nicht etwa daher, dass sich kühle und wärmere Luft vermischen. Stattdessen ist der Luftdruck dafür verantwortlich: Der nimmt nämlich in grossen Höhen rasch ab (wer schon einmal mit dem Auto ins Gebirge gefahren ist, kennt ein untrügliches Anzeichen dafür: Das Knacken in den Ohren, wenn sich der Luftdruck im Innenohr dem niedrigeren Aussendruck anpasst).

Mit dem sinkenden Druck dehnt sich die Luft aus – und das bedeutet Arbeit. Arbeit wiederum ist ein anderer Ausdruck für aufgewendete Energie. Und die Gesetze der Thermodynamik schreiben vor, dass aufgewendete Energie stets irgendwo her bezogen werden muss – zum Beispiel aus der Wärme der sich ausdehnenden Luft (auch Wärme ist eine Form von Energie). Und wenn die Wärme zum Ausdehnen “verbraucht” wird, wird es eben kalt.

Vom Schäfchen zur Gewitterwolke

Damit werden aus den anfangs gasförmigen Wasserteilchen winzige, flüssige Wassertröpfchen, die regelrechte Nebelballen bilden: Wolken. Ist nur wenig Luftfeuchtigkeit da, die sich verflüssigen (“kondensieren”) kann, entstehen so harmlose Quellwolken – mehr oder weniger grosse “Schäfchen”, die die Wetterforscher “Cumulus-Wolken” nennen.

Wenn genug Wasserdampf in der Luft ist, können diese Wolken allerdings sehr hoch werden. Der Umstand, dass beim Verflüssigen Energie frei wird (die sogenannte Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme – eine Schwester der Schmelzwärme, die ihr in diesem Versuch erforschen könnt), sorgt dafür, dass die Ausdehnung der Luft nicht gleich zur völligen Abkühlung führt. So kann die feuchtwarme Luft sehr hoch steigen – bis die Temperatur der feuchten Luft schliesslich doch auf die Temperatur der Umgebung absinkt. Und die kann gut und gerne deutlich unter 0°C liegen, sodass sich die Wassertröpfchen teilweise zu Eiskristallen verfestigen.

Dann ist ziemlich plötzlich Schluss mit Aufstieg, sodass grosse Wolkentürme (die die Wetterforscher dann “Cumulonimbus” nennen) mitunter oben platt erscheinen.

Cumulonimbus-Wolke: Daraus wird ein Gewitter

Da braut sich etwas zusammen: Eine mächtige Cumulonimbus-Wolke türmt sich auf – hier ist ein Gewitter im Anzug! (Quelle: Pixabay)

Gewitterwolken sind Windkraftwerke

Das ganze Aufsteigen, Ausdehnen und allenfalls Absinken kälterer Luftmassen hält die Luft- und Wasserteilchen in der Wolke kräftig in Bewegung: In den Gewitterwolken toben wilde Winde (das ist ein Grund, weshalb man mit dem Flugzeug besser nicht da hinein fliegt). Und wo Wind weht, ist eines unvermeidbar: Reibung! Die Teilchen stossen und streifen einander…und wenn diese Begegnungen heftig genug sind, werden sie dabei “abgeschliffen”:

Einzelne Elektronen – jene Elementarteilchen, die eine negative elektrische Ladung tragen – lösen sich von den Eiskristallen und bleiben an den flüssigen Wassertröpfchen haften. Diese Tröpfchen, die nun zu viele Elektronen haben, sind folglich negativ geladen, während die “abgeschliffenen” Eiskristalle positiv geladen zurück bleiben.

Ladungstrennung dank Dichteunterschied

Die Besonderheit an Wasser ist nun, dass es im festen Zustand “leichter” (also weniger dicht) ist als kühles flüssiges Wasser (diese “Anomalie” könnt ihr mit diesem Experiment sichtbar machen: Eis wächst!). Deshalb werden die positiv geladenen Eiskristalle leicht nach oben getrieben, während die Wassertröpfchen eher absinken.

So sammeln sich die verschiedenen Ladungen getrennt voneinander: Positive oben, negative unten. Das kennt man doch woher……genau: Eine Gewitterwolke ist nichts anderes als eine riesenmegagrosse Batterie, die mittels Windkraft aufgeladen wird!

Schema Ladungstrennung in einer Gewitterwolke

Ladungstrennung in einer Gewitterwolke: Durch Reibung werden Eiskristalle positiv und Wassertröpfchen negativ geladen. Die leichteren Eiskristalle sammeln sich oben, während die Wassertröpfchen sich unten in der Wolke sammeln. Von dort aus können die angehäuften negativen Ladungen im Zuge einer Entladung (Blitz) zur Erde hin abfliessen. Fallböen sorgen zudem für die plötzlichen stürmischen Winde, die während eines Gewitters auftreten können. (nach einer Grafik der Helmholtz-Wissensplattform “Erde und Umwelt”, ESKP [CC BY 4.0 ], via Wikimedia Commons)

Strom aus der Himmelsbatterie

Eine Batterie ist an sich eine feine Sache – kann man darin doch elektrische Energie speichern, indem man elektrische Ladungen getrennt aufbewahrt. Stellvertretend für das Ausmass dieser Trennung wird die elektrische Spannung angegeben: Die kleinen Batterien aus eurem Alltag liefern in der Regel eine Spannung von 1,5 bis 9 Volt.

Eine Cumulonimbus-Wolkenbatterie, die einen Kilometer hoch ist, kann dagegen bis auf 170 Millionen (170’000’000) Volt aufgeladen werden!

Alles darüber ist jedoch einfach zuviel: Es gibt unweigerlich einen Kurzschluss. Das bedeutet, die angehäuften negativen Ladungen fliessen in einen weniger negativen Bereich ab. Dieser Bereich kann der obere, positiv geladene Teil der Wolke sein, oder der Erdboden, welcher ebenfalls weniger negativ als der untere Wolkenteil geladen ist.

Für kurze Zeit fliesst also ein elektrischer Strom – und was für einer! Während mein modernes Handy-Ladegerät das Handy mit einer Stromstärke (Anzahl Ladungen, die in gegebener Zeit an einem Messpunkt vorbeikommen) von 1,5 Ampere auflädt, fliessen in einem Blitz kurzzeitig bis zu 100’000 Ampere! Bedenkt man, dass bereits 0,13 Ampere, die direkt durch einen menschlichen Körper fliessen, lebensgefährlich sein können, sollte man so einem Blitz wahrlich nicht zu nahe kommen.

Warum Blitze flackern: Von Leitblitz und Fangblitz zur Hauptentladung

Bevor so ein gewaltiger Strom fliessen kann, muss jedoch eine entsprechend gewaltige Leitung her. So beginnt eine Entladung der Wolkenbatterie damit, dass sich einige der an der Unterseite angehäuften negativen Ladungen einen Weg nach unten in Richtung Erde bahnen. Diesen ersten kleinen Strom nennen die Wetterforscher einen Leitblitz.

Am Erdboden gibt es bewegliche positive Ladungen, die von den herannahenden negativen Ladungen unweigerlich angezogen werden. So steigen sie durch die Luft nach oben auf. Wenn der so entstehende Fangblitz mit dem Leitblitz zusammentrifft, vereinigen sich beide zu einem regelrechten “Kabel” aus sehr leitfähiger Luft. Durch dieses Kabel kann dann die Hauptentladung mit ihrer ganzen Wucht abfliessen.

Wenn ein Blitz also flackert, dann deshalb, weil wir zunächst Leit- und Fangblitz und erst einen Sekundenbruchteil später die Hauptentladung aufleuchten sehen. Wirklich sichtbar machen lässt sich das Geschehen aber nur mit Zeitlupen-Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Bewegliche positive Ladungen sammeln sich in Bodennähe übrigens besonders in hohen, schmalen Gegenständen wie hohen Gebäuden oder freistehenden Bäumen. So bildet sich an solchen Dingen besonders leicht ein Fangblitz, der einen Leitblitz in der Nähe regelrecht einfangen und die Hauptentladung zu seinem Ursprung leiten kann. Deshalb werden hoch aufragende Dinge besonders leicht vom Blitz getroffen.

Was passiert mit der elektrischen Energie?

Ein Strom von solch gewaltiger Stärke enthält eine gewaltige Menge Energie – die letztlich irgendwo hin muss. Ein Teil dieser Energie wird schon auf dem Weg des Stromflusses umgewandelt. Zahllose geladene Teilchen, die gemeinsam durch ein “Luft-Kabel” rasen, verursachen nämlich eine Menge Reibung mit den Luftteilchen des Kabels. Folglich wird die Luft für einen Augenblick mächtig warm – so warm, dass sie hell aufleuchtet und sich um den Blitz herum schlagartig ausdehnt.

Da die Ausdehnung schon nach einem winzigen Sekundenbruchteil endet, breitet sie sich gleich einer einzelnen Druckwelle weiter aus – bis sie allenfalls unsere Ohren erreicht und wir (sofern wir dem Gewitter nahe genug sind) einen Knall hören: Den Donner. Wenn wir weiter vom Gewitter entfernt sind, wird diese Druckwelle mehr und mehr von Winden und Hindernissen auf ihrem Weg verzerrt und gedehnt, sodass der Donner mit wachsender Entfernung zum Gewitter immer mehr zu einem längeren Rumpeln und Grollen wird.

 

Wie Gewitter gefährlich werden können – und wie man sich davor schützt

Die Zerstörungskraft von Blitzen

Auch nach der Entstehung von Blitzlicht und Donner erreicht ein Blitz mit ungeheurer Energie den Boden – oder was eben darauf steht. Und genau dadurch müssen all die geladenen Teilchen nun weiter abfliessen. Wenn ein vom Blitz getroffener Gegenstand nun kein guter elektrischer Leiter ist, entsteht dabei wiederum eine Menge Reibung und damit Wärme und allenfalls Licht.

Wie man Gebäude vor Blitzen schützt

Brennbares Material wie Holz kann durch diese Wärme in Flammen aufgehen oder verkohlen auf der Stelle. So kann ein Blitz nicht nur einen Menschen töten, sondern auch einen ganzen Wald- oder Gebäudebrand auslösen. Damit das mit unseren Städten und Türmen nicht passiert, werden heute alle Gebäude mit einem Blitzableiter ausgerüstet. Das ist nichts anderes als ein dicker Draht aus leitfähigem Metall, der vom höchsten Punkt des Gebäudes bis in den Erdboden verläuft.

Die fliessenden Ladungen sind nämlich – wie alles in der Natur – ziemlich bequem: Wenn man ihnen einen besonders leichten Weg (durch den leitfähigen Draht) anbietet, dann nutzen sie diesen auch und geben sich mit dem weniger leitfähigen Material nicht ab. Im Erdboden angekommen haben die Ladungen schliesslich so viel Raum, dass sie sich verteilen können, ohne weiteren Schaden anzurichten.

Gewitter in Paris: Gleich drei Blitze schlage in den Eiffelturm ein

Einer der grössten Blitzableiter der Welt? Der Eiffelturm ragt 1902 (und heute noch) hoch über Paris auf und ist damit ein leichtes Ziel für Blitze. Ganz aus Metall würde er den Strom sehr gut leiten – wenn da die Rostschutzlackierung nicht wäre. Aber zum Glück waren Blitzableiter bereits vor 116 Jahren bekannt und in Verwendung (die wurden nämlich schon um 1750 von Benjamin Franklin erfunden). (Aus: Thunder and Lightning (Blitz und Donner) von Camille Flammarion, veröffentlicht 1906)

Das Auto als Faraday’scher Käfig – kein Mythos!

Auf ähnliche Weise sind übrigens Autos geschützt: Die Aussenhülle von Autos besteht aus leitfähigem Metall – und in die heutigen Autoreifen werden ebenfalls leitfähige Bestandteile eingearbeitet (das Gummi wäre allein nicht leitfähig), sodass die Hülle des Autos leitend mit dem Erdboden verbunden ist. Würde nun ein Blitz in das Auto einschlagen, flösse der Strom aussen herum durch die Hülle und die Reifen ab, während der Innenraum – samt Menschen darin – davon unberührt bliebe! Eine solche geschlossene, leitfähige Hülle, die ihr Inneres vor Stromschlägen schützen kann, nennen die Physiker einen “Faraday’schen Käfig” (weil tatsächlich schon ein Drahtnetz ausreichen kann, um den Strom vom Inneren fern zu halten).

Auch ein Verkehrsflugzeug stellt einen Faraday’schen Käfig dar. Wenn ein solches in ein Gewitter gerät und von einem Blitz getroffen wird (und das passiert jedem Flugzeug irgendwann in seiner “Lebenszeit”), fliesst der Strom durch die metallene Aussenhülle wieder zurück in die Luft ab. Passagiere, Crew, Turbinen und sogar die empfindliche Elektronik im Inneren bleiben davon in der Regel unbehelligt (abgesehen von dem Schreck, wenn es plötzlich kracht).

Wie ihr euch selbst vor Blitzen schützen könnt

Die einfachste Möglichkeit, euch selbst vor Blitzen zu schützen: Haltet euch bei einem Gewitter in einem Gebäude mit Blitzableiter oder in einem Faraday’schen Käfig auf. Wenn ihr abseits von Gebäuden draussen unterwegs seid und ein Auto in der Nähe ist, steigt ein und schliesst die Türen. Sollte das Gewitter euch sehr nahe kommen, ehe ihr einen sicheren Unterschlupf erreichen könnt, sucht euch einen möglichst tief gelegenen Ort (eine Senke oder dergleichen) und legt euch flach hin. Ihr wollt ja schliesslich nicht als hoch aufragendes Objekt Ausgangspunkt eines Fangblitzes werden.

Meidet aber freistehende Bäume und andere hohe Dinge – wenn die statt euch vom Blitz getroffen werden, könnten sie über euch einstürzen oder in Flammen aufgehen! Wenn es zudem stürmt, braucht es nicht einmal einen Blitz, um einen gefährlich schweren Ast vom Baum stürzen zu lassen.

Wie ihr die Entfernung eines Gewitters bestimmt

Wie nahe euch ein Gewitter ist, könnt ihr übrigens ganz einfach abschätzen. Das Licht von Blitzen breitet sich nämlich sehr viel schneller als der Schall des Donners aus! Tatsächlich ist die Lichtgeschwindigkeit so hoch, dass wir einen Blitz in “hörbarem” Abstand praktisch sofort sehen. Der Donner braucht dagegen für jede 300 Meter Abstand eine ganze Sekunde, bis er uns erreicht.

Wenn ihr einen Blitz seht, zählt also die Sekunden, bis ihr den Donner hört (wenn ihr keine Uhr mit Sekundenzeiger zur Hand habt, beginnt ruhig ab 21 (“einundzwanzig”) zu zählen, und nehmt die Einerstellen als gezählte Sekunden). Dann rechnet die Anzahl verstrichener Sekunden mal 300 und ihr erhaltet euren Abstand zum Gewitter.

Wenn ihr das Ganze mehrmals wiederholt, könnt ihr sogar feststellen, ob sich das Gewitter euch nähert oder sich entfernt: Werden die Abstände zwischen Blitz und Donner kürzer, kommt das Gewitter näher – dann ist draussen besondere Vorsicht angesagt – werden die Abstände länger, dann zieht es von euch weg. Sollten sich die Abstände gar nicht ändern, steht das Gewitter (im Vergleich zu eurer Position) oder bewegt sich allenfalls auf einer Kreisbahn um euch herum.

Was passiert mit den Ladungen im Boden?

Wenn ihr aufmerksam gelesen habt, ist euch vielleicht schon etwas aufgefallen: Wenn negative Ladungen aus dem unteren Teil von Gewitterwolken zum Erdboden abfliessen, müsste dieser sich zunehmend negativ aufladen, während die positiven Ladungen in der Wolke bzw. der Luft verbleiben. Genau das geschieht auch – jedoch sind diese Ansammlungen für eine schnelle Entladung zu weit voneinander entfernt.

Stattdessen gelangen die negativ geladenen Teilchen, sobald das Gewitter vorbei ist, durch zufällige Bewegung langsam, d.h. über Tage in die Luft zurück. Dort können sie, wenn sie auf positiv geladene Teilchen treffen, allmählich wieder entladen werden. Bis sie in die nächste windige Gewitterwolke geraten und eine neue elektrische Reise zur Erde antreten – oder in einem waagerechten Blitz von Wolke zu Wolke entladen werden.

Habt ihr nun Lust, mit elektrischen Ladungen zu experimentieren und eure eigenen Blitze zu machen? Dann schaut einmal hier in der Mitmachkiste vorbei und probiert die wahrhaft elektrisierenden Experimente vom letzten Freitag!

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