mini|Blitze zwischen Wolken und Erdboden mini|Zeitlupenaufnahme eines Blitzes Ein Blitz ist in der Natur eine Funkenentladung oder ein kurzzeitiger Lichtbogen zwischen Wolken oder zwischen Wolken und der Erde. In aller Regel tritt ein Blitz während eines Gewitters infolge einer elektrostatischen Aufladung der wolkenbildenden Wassertröpfchen oder der Regentropfen auf. Er wird dabei vom Donner begleitet und gehört zu den Elektrometeoren. Dabei werden elektrische Ladungen (Elektronen oder Gas-Ionen) ausgetauscht, das heißt, es fließen elektrische Ströme. Blitze können, je nach Polarität der elektrostatischen Aufladung, auch von der Erde ausgehen.
Künstlich im Labor mit Hochspannungsimpulsen erzeugte Blitze dienen deren Studium oder der Überprüfung von Einrichtungen des Stromnetzes hinsichtlich der Effekte von Blitzeinschlägen und der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen.
Eine Blitzentladung ist deutlich komplexer als eine reine Funkenentladung. Die der natürlichen Blitzentstehung zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind bis heute nicht abschließend erforscht.
Forschung mini|Animation einer Blitzentladung Benjamin Franklin ist die Anregung zu Experimenten zu verdanken, die bewiesen, dass bei Gewittern eine elektrische Spannung zwischen Wolken und der Erde besteht, die sich in einem Blitz entlädt. Besonders berühmt wurde später sein Drachenexperiment von 1752, bei dem über eine feuchte Hanfschnur während eines Gewitters Funkenüberschlag beobachtet wurde. In einer Zeitungsveröffentlichung von 1752 berichtete Franklin darüber, ohne explizit zu erwähnen, ob er es selbst durchgeführt hatte, was aber Joseph Priestley in einem Buch von 1767 behauptete, der es wahrscheinlich von Franklin hatte. Franklin schlug aber auch Experimente mit einer isolierten Metallspitze bei Gewittern vor, die die Anregung für ein entsprechendes Experiment in Frankreich durch Thomas François Dalibard (1752) waren. Die Gefährlichkeit dieser Experimente zeigte sich schon 1753 mit dem Tod von Georg Wilhelm Richmann. Franklins Forschung war der Beginn der neuzeitlichen Blitzforschung. Bis heute sind allerdings nicht alle Erscheinungsformen von Blitzen sowie die damit verbundenen Effekte umfassend und unumstritten wissenschaftlich erklärt, insbesondere wie die Ladungsunterschiede entstehen, die zum Blitz führen.
Heute haben sich verschiedene Verfahren zur Untersuchung von Blitzen etabliert, die auch darauf achten, das Risiko für die Forscher möglichst gering zu halten (im Gegensatz zur Methode Franklins). Häufig werden Raketen abgeschossen, die einen metallischen Draht hinter sich herziehen. Der Blitz gelangt durch den Draht zur Messstation, wo er analysiert werden kann. Andere Verfahren stützen sich auf Wetterballons oder Messungen durch Flugzeuge.
Lange Zeit war das Forschungsinteresse an natürlichen Blitzen gering, da man glaubte, sie wie Funkenentladungen behandeln zu können, wie sie ohne Weiteres im Labor erzeugbar sind. Erst seit Ende der 1990er Jahre hat sich das geändert, da Ungereimtheiten auftraten, die durch das einfache Modell nicht erklärt werden konnten. Es stellte sich als unmöglich heraus, mit den heutigen Mitteln Blitze zur Energiegewinnung auszunutzen.
Einige der jüngsten Forschungsprojekte sind: Auf dem Hohen Peißenberg im bayrischen Voralpenland befindet sich die von der Universität der Bundeswehr München betriebene Blitzmessstation, welche im gleichnamigen Sender Hohenpeißenberg beheimatet ist. Die Station wird vom Institut für Hochspannungstechnik und Blitzforschung um Fridolin Heidler betrieben. Bei einem direkten Blitzeinschlag in den Fernmeldeturm werden unter anderem der Strom- und der magnetische sowie der elektrische Feldverlauf mit hochauflösender Messtechnik erfasst. In Österreich läuft auf dem Salzburger Sender Gaisberg ein Blitzforschungsprojekt von ALDIS (Austrian Lightning Detection & Information System). Dabei werden direkte Blitzeinschläge in den Senderturm ausgewertet und unter anderem der Blitzstromverlauf messtechnisch erfasst. In Brasilien untersucht das DLR-Forschungsflugzeug Falcon die Entstehung von Stickoxiden durch Blitze in tropischen Gewittern. Seit 1994G. J. Fishman u. a., Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin, Science, Band 264, 1994, S. 1313–1316 ist durch das (damals falsch ausgerichtete) BATSE-Satellitenexperiment bekannt, dass Gammastrahlungspulse in der Atmosphäre entstehen können. Wie sich später herausstellte, sind diese bis zu 50-mal am Tag beobachtbar, mit Energien bis zu 40 MeV (AGILE maß 2010 sogar Energien von bis zu 100 MeV). Ihre Entstehung ist mit Gewittern verbunden, häufig entstehen sie bereits einige Minuten vor einer Blitzentladung.Ute Ebert: Wenn der Funke überspringt. In Physik-Journal. 8, Nr. 12, 2009, S. 39–44C. Köhn, U. Ebert: Calculation of beams of positrons, neutrons and protons associated with terrestrial gamma-ray flashes. In J. Geophys. Res. Atmos. vol. 23, 2015. doi:10.1002/2014JD022229 Im Jahr 2001 konnte auch in Gewittern nachgewiesen werden, dass Blitze auch Röntgen- und Gammastrahlung aussenden (Energien über 1 MeV).C. B. Moore u. a.: Energetic radiation associated with lightning stepped-leaders, Geophys. Res. Lett., Band 28, 2001, S. 2141–2144 Diese Ergebnisse wurden in den folgenden Jahren vielfach bestätigt, besonders durch den Nachweis von Gammastrahlung aus Gewitterzonen durch den NASA-Forschungssatelliten RHESSI (2005) und das Fermi Gamma-ray Space Telescope (2010). Diese Gammablitze können nach theoretischen Berechnungen sekundäre Teilchen wie Elektronen, Positronen, Neutronen und Protonen mit Energien von bis zu 50 MeV erzeugen.C. Köhn, G. Diniz, M. N. Harakeh: Production mechanisms of leptons, photons, and hadrons and their possible feedback close to lightning leaders. In J. Geophys. Res. Atmos, vol. 122, 2017. doi:10.1002/2016JD025445 Die Produktion von Neutronen in Labor-Entladungen wurde schon 1974 durch Fleischer und Kollegen nachgewiesen und bei Blitzen vorhergesagt und später auch bei Blitzen gemessen. Dafür kommen Fusionsreaktionen mit Deuterium oder photonukleare Reaktionen in Betracht (L. P. Babich 2007),Babich, Neutron generation mechanism correlated with lightning discharges, Geomag. Aeron., Band 47, 2007, S. 664–670 wobei Babich aus theoretischen Überlegungen Fusionsreaktionen eine untergeordnete Rolle zuwies. Schließlich wurde der Ursprung in photonuklearen Reaktionen 2017 durch Wissenschaftler der Universität Tokio schlüssig in Gewittern nachgewiesen. Sie konnten Gammastrahlen mit einer Energie von 511 keV, der Annihilationsenergie eines Elektrons und Positrons, mit Blitzen korrelieren., Pro Physik, 23. November 2017Löfgen Kernreaktor Atmosphäre - Blitze erzeugen radioaktive Isotope, Wissenschaft aktuell, 23. November 2017 In einem photonuklearen Prozess schlugen Photonen von mehr als 10 MeV ein Neutron aus einem Stickstoff-14-Kern, der danach in einen Kohlenstoff-13-Kern zerfiel unter Betazerfall, wobei auch ein Positron entstand. Da dabei somit auch Kohlenstoffkerne entstehen, hat das Auswirkungen auf die C14-Datierungsmethode.
Theorien zur Entstehung
Am häufigsten beobachtet man Blitze zwischen speziellen Wolkentypen wie Cumulonimbus und Erde, in den Tropen fast täglich, in gemäßigten Breiten vorwiegend während der Sommermonate. Sehr zahlreiche Blitze werden auch bei Vulkanausbrüchen2010 Volcanic eruption in Eyjafjallajokull glacier Iceland. beobachtet (Eruptionsgewitter), bei denen aufsteigende Feuchtigkeit wohl nicht als Ursache in Frage kommt. In beiden Fällen konnte bisher nicht lückenlos aufgeklärt werden, wodurch es zu der gewaltigen Ladungstrennung kommt, die vorher stattgefunden haben muss. Rätselhaft ist der offensichtliche Unterschied zu Laborexperimenten mit Gasen, wo es wegen der guten Beweglichkeit der Moleküle schwierig ist, Ladungstrennung ohne metallische Leiter und Isolatoren zu erzeugen und längere Zeit aufrechtzuerhalten.
Entstehung elektrischer Ladung in einer Gewitterwolke Grundvoraussetzung für die Entstehung von Blitzen ist die Ladungstrennung. Nach heutigem Wissensstand können eine Reihe von Mechanismen innerhalb der Gewitterwolken dazu beitragen. Man unterscheidet dabei zwischen Aufladungsmechanismen, die mit Influenz und ohne Influenz wirken können, wobei letztere die weitaus wichtigere Kategorie darstellen.
Grundvoraussetzung für die Trennung von elektrischer Ladung ist die Reibung durch kräftige Aufwinde innerhalb einer Cumulonimbuswolke, die 5–20 m/s und mehrGösta H. Liljequist, Konrad Cehak: Allgemeine Meteorologie. 3. Auflage. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1984, ISBN 3-528-23555-1, S. 149. () erreichen können. In der Wolke kondensiert übersättigter Wasserdampf zu kleinen, aber ständig wachsenden Wassertröpfchen. Die Kondensation setzt Wärme frei. Dadurch bekommt die Luft eine höhere Temperatur, als sie in gleicher Höhe ohne Kondensation hätte. Das erhöht ihren Auftrieb im Vergleich zur Luft außerhalb der Wolke. Der Aufstieg beschleunigt sich. Beim Aufstieg kühlt sich die Luft durch den mit der Höhe sinkenden Druck adiabatisch ab, was die Kondensation verstärkt und den Aufstieg weiter beschleunigt. In einigen Kilometern Höhe wird die Nullgradgrenze unterschritten, und die Wassertropfen gefrieren zu Eispartikeln, die durch Resublimation weiter anwachsen. Mit der Zeit werden die Graupelteilchen schwer genug, dass sie entgegen der Richtung der Aufwinde zum Erdboden fallen.
Vermutlich kollidieren in diesem Stadium kleinere, noch leichte Eiskristalle mit den Graupelteilchen und geben dabei Elektronen an die Graupelteilchen ab. Diese nehmen eine negative Ladung an und sinken so geladen weiter in den unteren Teil der Wolke. Die leichten, jetzt positiv geladenen Eiskristalle werden von den Aufwinden weiter nach oben getragen. Bei ausreichend hoher Steiggeschwindigkeit kommt es zu einer Ladungstrennung und es entstehen beachtliche Raumladungen. In der Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) wurde festgestellt, dass die Stärke der Raumladungen direkt vom Eisgehalt der Wolke abhängt. Das bedeutet eine starke Korrelation zwischen der Eismenge in einer Wolke und der Blitzhäufigkeit.
In Wolkenbereichen mit hohem Graupelanteil werden Luftmassen durch die nach unten fallenden Graupelteilchen mit nach unten gerissen und es entstehen Abwindkanäle in der Gewitterwolke. In ihnen gelangen die negativ geladenen Graupelteilchen zunächst in den unteren Teil der Wolke. Der nun negativ geladene untere Teil der Wolke bewirkt durch Influenz, dass sich der unter der Wolke befindliche Erdboden positiv auflädt, es kommt zur klassischen Ladungsverteilung in einer Gewitterwolke. Dazu kommt, dass im unteren Teil der Gewitterwolke die Graupelteilchen wieder schmelzen und sich dabei positiv aufladen. Die gängige Erklärung lautet, dass sich beim Anwachsen des Graupelteilchens in der Höhe Lufteinschlüsse bilden, die beim späteren Auftauen den Wassertropfen verlassen und dabei an der Oberfläche befindliche negative Ladung mit sich nehmen. Auf diese Weise wird der unter der Wolke ausfallende Niederschlag elektrisch neutral oder – wie man beobachtet hat – sogar positiv geladen, während die negative Ladung im unteren Teil der Wolke verbleibt.Wiebke Deierling: (PDF; 3,3 MB, in Internetarchiv) Die teilweise extrem starken Turbulenzen innerhalb von Gewitterwolken machen eine experimentelle Überprüfung dieser Vermutungen sehr schwierig.
Man kann sich weitere Prozesse vorstellen, welche diese Ladungsverteilung unterstützen: Die durch Resublimation anwachsenden Graupelteilchen können sich positiv aufladen und ihre Ladung bei Kollisionen an leichtere Eiskristalle abgeben, bevor oder während sie in Richtung Erdboden fallen. Der umgekehrte Effekt, also die negative Aufladung von sublimierendem Eis, käme dann in den Abwindkanälen zum Tragen.