Wie funktioniert eigentlich so ein Blitz?

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Blitze über dem Hafen von Colonia del Sacramento  (Bild: LONELY DANCER von Ezequiel1984)

Blitz. Donner. 40 Mal pro Sekunde auf dem gesamten Erdball. Für viele Menschen sind Gewitter eine sehr anziehende Angelegenheit, wenn auch teilweise sehr beängstigend. Aber wer weiß schon, wie so ein Blitz funktioniert? Wo kommt er her, wo geht er hin und was hat Shakespeare damit zu tun? Ich versuche im folgenden Artikel einmal, die Hintergründe der Blitzentstehung verständlich zu erklären.

Um das ganze etwas übersichtlicher zu machen, teile ich diesen Post in fünf Teile, wobei die ersten vier die Phasen der Blitzentstehung beschreiben. Und weil wir hier im physikBlog sind, Deutschlands Insider-Blog für heiße Raketenstartbilder, sind die Phasen einem Raketenstart nachempfunden — erklärt natürlich mit Katzenparabeln.

Phase I: Befüllen der Tanks

Die Cumulonimbus-Wolke kündigt ein sich anbahnendes Gewitter an. (Bild: Wikipedia)

Wie bei einer Rakete, einem Auto oder auch nur bei der Katze vor dem Sprung: Um irgendetwas zu erreichen, muss eine bestimmte Energie verfügbar gemacht werden. Im Falle von Rakete und Auto ist das der Treibstoff im Tank, bei der Katze die in den Fetten und Zuckermolekülen gespeicherte Energie und im Falle des Blitzes ist es elektrische Energie, bzw. eine Spannung.

Vom Prinzip her das Gleiche, wie bei euch zu Hause in der Steckdose: positive und negative Ladungen sind voneinander getrennt und wollen sich so lange bewegen, bis sie sich gegenseitig neutralisiert haben. Dieses Streben nach Ladungsausgleich nennt man Spannung oder Potential — das Potential, etwas zu tun. Deswegen können wir auch den elektrischen Dosenöffner für das Katzenfutter betreiben.

Beim Blitz passiert diese Trennung von Ladungen in der Wolke. Es muss eine besondere Wolke sein, in der starke Aufwinde herrschen und Regentröpfchen vorhanden sind. Diese Wolken werden wegen der Aufwinde sehr groß und nennen sich Cumulus-Wolken — den Begriff habt ihr sicherlich schon das ein oder andere mal gehört. Wenn noch die Regentröpfchen dazu kommen, sind wir bei einer Cumulonimbus-Wolke.1

Die Aufwinde in einer solchen Wolke sorgen dafür, dass starke Luftverwirbelungen auftreten. Die wiederum wirbeln Wassertröpfchen, Eis- und Graupelteilchen2 umher und lassen sie aneinander stoßen. Bei den Stößen kommt es zu einem Austausch von Ladungen: schwerere Teilchen nehmen eher negative Ladungen an, leichtere positive Ladungen.
Und wie das eben mit einem Steinchen und einer Feder im Aufwind ist: das eine geht hoch, das andere runter. Die schweren, negativen Teilchen3 sammeln sich am unteren Rand der Wolke, die leichten positiven am oberen.4

Voila, fertig ist die großräumige Trennung von Ladungen und somit auch der Aufbau einer gewissen Spannung. Diese Spannung kann in einer Wolke bis zu 100 Millionen Volt (also 100 Megavolt) erreichen. Zum Vergleich: die Steckdose zu Hause liefert 230 Volt, in einer großen Hochspannungsleitung befinden sich bis zu 380 Kilovolt.

Phase II: Vorbereitung des Starts

Durch den Ausbruch des Chaiten-Vulkans in Chile hervorgerufene Blitze (Bild: lightning vs. vulcano von fmg2001)

Zu elektrischen Entladungen wie z.B. bei der Zündkerze im Automotor kommt es jetzt, wenn die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Dann ist die Kraft auf die negativen Ladungen, meist freie Elektronen,5 so groß, dass sie sehr schnell beschleunigt werden und dadurch auch andere Elektronen aus Atomen regelrecht herausschlagen können. Diese werden auch wieder schnell beschleunigt und schlagen weitere Elektronen aus Atomen. Und die werden dann wieder … naja, ihr wisst wie der Hase läuft.
Am Ende gibt es jedenfalls eine lawinenartige Wanderung von Elektronen in Richtung der positiven Ladung — das ist die physikalische Sprechweise dafür, dass Strom fließt.

Der Grenzwert, dass es zu solchen Entladungen führt, liegt bei etwa 3 Millionen Volt pro Meter6 für trockene Luft. Genauso wie die Spannung innerhalb der Wolke 100 MV beträgt, so ist auch die Spannung zwischen Wolkenunterseite und Erdoberfläche 100 MV.7 Das würde bei einer Wolkenhöhe von 3 km etwa 30 kV/m machen, also 100-fach zu wenig. Auch begünstigende Faktoren wie erhöhte Luftfeuchtigkeit während eines Gewitters machen den Blitz immer noch nicht über diesen Weg erklärbar.

Dass es aber trotzdem zu einem Blitz kommt, liegt an der Bildung eines Blitzkanals. Wie der Straßenräumdienst eine Gasse in den Schnee schaufelt, damit die nachfolgenden Autos fahren können, wird auch für einen Blitz ein elektrisch leitender Kanal geschaffen. Dazu braucht es zunächst ein kleines Gebiet mit lokal erhöhter Spannung, so dass dort der Grenzwert überschritten wird. Das kann z.B. eine zufällige dichte Ansammlung von negativ geladenen Teilchen sein.

Die deshalb grob nach unten beschleunigten Elektronen (s.o.) stoßen an Luft- und Wassermoleküle und schlagen dort weitere Elektronen heraus. Übrig bleiben positiv geladene Moleküle, die sich so anordnen, dass der Kanal nach außen hin weitestgehend abgeschirmt wird und im Inneren elektrisch leitend ist. Außerdem sorgt die Anordnung dafür, dass sich am vorläufigen Ende des dünnen Kanals eine sogenannte Feldspitze8 ausprägt. Das heißt, hier wird die Spannung pro Meter wieder so groß, dass der Grenzwert überschritten wird. So wie eine Katze auf einer Holzplatte locker flanieren kann, wenn darin aber Nägel stecken, ist der Katzenjammer groß.

Schema einer Blitzentstehung — klick macht größer (Bild: Wikipedia)

Der Blitzkanal oder auch Leitblitz baut sich stückchenweise auf, so dass nach jedem Schritt die Richtung der weiteren Ausbreitung neu bestimmt wird9 und sich durchaus auch zwei Äste ergeben können. Das ist der Grund für die faszinierende Form der Blitze.
Kurz bevor der Leitblitz den Boden erreicht, bilden sich nach dem gleichen Prinzip nur anders rum sogenannte Fangentladungen gen Himmel aus. Sie sind bläulich, sehr dunkel und müssen nicht zwangsweise mit dem Leitblitz zusammentreffen, tun es aber meistens.

Phase III: Liftoff

Eine Zusammensetzung von drei einzelnen Blitzen. (Bild: Lightning Composite von b_napper)

Wir haben jetzt also einen geschlossenen, elektrisch leitenden Kanal zwischen dem positiv geladenen Erdboden und der negativ geladenen Wolke, dessen Aufbau etwa eine hundertstel Sekunde gebraucht hat. Durch den maximal 12 mm breiten und 1-3 km langen Blitzkanal fließt nun ein Strom, der im Schnitt etwa 20.000 Ampere umfasst. Zum Vergleich: zu Hause sind die Sicherungen meistens auf 16 Ampere ausgelegt. Häufig kommt es nach einer Erholungspause von ein paar hunderstel Sekunden zu weiteren Hauptentladungen, die das Flackern von Blitzen erklären.

Das mit dem Raketenstart-Bild hat nicht geklappt. Blitzeinschlag.
(Bild: NASA)

Dass der Hauptblitz überhaupt leuchtet, liegt an der immensen Stromstärke. Wie beim Wasserkocher zu Hause heizt sich Material auf, durch das Strom fließt. Das liegt an ohmschen Widerständen, durch die sich der Strom erst einmal durchkämpfen muss. Schlussendlich wird das ganze jedenfalls sehr warm, so dass es anfängt zu leuchten — wie bei dem Glühdraht in den bösen Dingern vor den Energiesparlampen.
Beim Blitz wird das Ganze sogar so warm, dass die Luft ein sogenanntes Plasma bildet und dabei natürlich auch leuchtet. Ein Plasma ist ein Aggregatszustand wie fest, flüssig oder gasförmig, bei dem ein Gas aus freien Ladungsträgern besteht. Im Wesentlichen ist ein Plasma also nur ein Gas, das elektrisch leitend ist.

Wie die Entstehung in Real aussieht, kann man bei folgendem Video begutachten: In den ersten vier Sekunden wird der Leitkegel aufgebaut worauf mehrere Hauptentladungen folgen.

DirektSlowMotionBlitz

Phase IV: Funkkontakt herstellen

OK, wie schon im Video gesehen, sehen wir jetzt einen Blitz. Aber ein Blitz ohne den dazugehörigen Donner ist nur halb so gut. Der Donner entsteht, weil die Luft im Blitzkanal schlagartig auf ~30.000 °C erwärmt wird. Das ist selbst für professionelle Saunagänger etwas warm. In Folge dessen dehnt sich die Luft ebenfalls schlagartig aus.10 Und das, liebe Kinder, ist der gleiche Grund, warum man keine Deodosen ins Feuer werfen soll.

Diese Ausdehnung ist schneller als die Schallgeschwindigkeit und somit wird die Schallmauer durchbrochen. Das bedeutet, dass eine Front von Luftmolekülen gemeinsam vom Blitz wegwandert und damit einen lauten Knall ergibt.11 Der Knall ist weiter entfernt mehr ein Grollen, was auf Echo-Effekte, die mehreren Hauptentladungen und einen Effekt namens Dispersion zurückzuführen ist.12

Das kann auch eine Katze berechnen.

Übrigens kann man anhand des Abstandes zwischen Blitz und Donner ziemlich gut die Entfernung des Blitzes bestimmen: Licht breitet sich mit 300.000 km/s aus und ist damit quasi zeitgleich nach dem Entstehen bei euren Augen eingetroffen. Der Schall hingegen ist mit nur ca. 330 m/s unterwegs und braucht somit für einen Kilometer etwa drei Sekunden.

Und sonst so …

Ein Erde-Wolke-Blitz mit umgekehrtem Blitzbaum. (Bild: Wikipedia)

Ich will noch einen kurzen Ausblick geben, dass es weit mehr als den einfachen Blitz gibt. So finden sich neben dem Blitz von der negativen Wolkenunterseite auch solche von der positiv geladenen Wolkenoberseite zum Erdboden, auch Positivblitze genannt. Weil sie von der Wolkenoberseite zum Erdboden müssen sind mindestens zehnfach länger als normale Negativblitze und tragen eine weitaus größere Stromstärke von bis zu 300.000 Ampere mit sich. Fünf Prozent aller Blitze sind solche Positivblitze.
Aber auch die Richtung des Blitzes kann sich umdrehen, also von der Erde zur Wolke ist ebenso möglich. Man erkennt sie an der nach oben offenen Verzweigung, genau andersrum als beim normalen Blitz.

Ein Wolkenblitz (Bild: Wikipedia)

Ziemlich häufig sind reine Wolkenblitze. Wie wir weiter oben gelernt haben, gibt es auch zwischen Ober- und Unterseite der Wolke eine große Spannung, die sich auf die gleiche Weise wie beim Wolke-Erde-Blitz entladen kann, nur eben innerhalb der Wolke.
Wenn man den Blitz selber aufgrund der großen Entfernung oder dazwischenliegenden Wolken nicht sieht, dann leuchtet nur die Wolke von innen heraus und man nennt das Phänomen Wetterleuchten.13 Der Donner ist dabei stark unterdrückt.

Ab und zu hört man auch von sogenannten Kugelblitzen, allerdings sind diese bis heute weder wissenschaftlich zuverlässig erklär- noch irgendwie produzierbar. Angebliche Augenzeugen solcher Blitzerscheinungen berichten von leuchtenden Kugeln, die sich schwebend relativ langsam fortbewegen.

Blitze oberhalb der Wolken — Klick macht groß und Beschriftung (Bild: Wikipedia)

Mittlerweile weiß man auch, dass es oberhalb der Wolke Blitzphänomene gibt, die sich teilweise radikal von den bisher bekannten unterscheiden. Die Entladungen finden hier zwischen der Wolke und einer oberen Atmosphärenschicht statt, die sich Ionosphäre nennt. Die Teilchen in dieser Schicht wurden durch die kosmische Hintergrundstrahlung und die Sonne stark ionisiert, das heißt sie wurden elektrisch aufgeladen.
Da die theoretischen Beschreibungen oberhalb der Wolke sehr kompliziert und bis heute auch nicht komplett verstanden sind, hatte man sich schon vor Jahren dazu entschlossen, den Phänomenen Namen aus Shakespeares Sommernachtstraum zu geben. So gibt es z.B. Elfen (Elves), sich ausdehnende Ringe in der Ionosphäre, oder Kobolde (Sprites), riesige Blitze von der Ionosphäre Richtung Wolke. Siehe dazu auch die Illustration rechts.

 

Mehr Informationen findet ihr unter folgenden Adressen:
→ Wikipedia (deutsch & englisch)
Uni Hannover
→ Blitze über den Wolken: Upper Atmospheric Lightning
→ Physik Journal, Ausgabe Dezember 2009, S. 39 ff
Nachtrag 21:19 Uhr: Kam gerade per Twitter rein: schönes Bild von National Geographic (Danke Martin!)

 
Abschließend noch ein Sicherheitshinweis: Blitze sind gefährlich und können Gehörschäden verursachen. Nicht für Kinder unter drei Jahren geeignet! Auf keinen Fall mit Silvesterkrachern kombinieren, es könnten 10-dimensionale Singularitäten entstehen!

 
Bei den Bildern wurden die Quellen soweit es ging genannt. Alle stehen unter einer CreativeCommons Lizenz: Creative Commons License

 

  1. vom lateinischen cumulus = Anhäufung und nimbus = Regenwolke []
  2. Graupel ist überfrorener Schnee. Also Schnee als Kern und dann eine Eisschicht drumherum. Quasi eisig überbacken. Aber ohne Käse, ist ergo nicht so gut wie Schnee alleine. Oder so. []
  3. Das schwer ist nicht in Dimensionen von Elektronen und Protonen gemeint – das wäre ja auch falschrum – sondern wirklich sowas wie Körnchen. []
  4. Übrigens geht wieder ein Teil der negativen Ladung verloren, weil sie mit Regen/Hagel aus der Wolke zu Boden fällt. []
  5. Also solche, die nicht im Atom gebunden sind. []
  6. Quelle: elektronik-kompendium.de []
  7. Eigentlich würde man von der Hälfte ausgehen, weil sich die Spannung von 100 MV in der Wolke aufteilt. Also +50 MV an der Oberseite der Wolke und -50 MV an der Unterseite. Zum geerdeten Boden wäre es damit 50 MV Spannung. Wegen der Influenz sind es aber dann doch wieder 100 MV. Aber das ist eigentlich auch nicht so wichtig. []
  8. Das Feld des elektrischen Potentials, also der Spannung, ist einfach nur die physikalische Ausdrucksweise für die elektrischen Spannungen innerhalb eines Gebiets. []
  9. Natürlich immer unter der Vorgabe, dass es prinzipiell nach unten geht, weil dort der verlockende Potentialausgleich mit den positiven Ladungen der Erdoberfläche wartet. []
  10. Ganz streng genommen dehnt sich die Luft erstmal nicht aus. Der große Strom verursacht ein großes Magnetfeld, dass die elektrisch leitende Luft im Inneren gefangen hält. Sobald der Strom abbricht, versiegt auch das Magnetfeld und die Luft kann sich explosionsartig ausdehnen. []
  11. Etwas physikalischer ist Schall nichts anderes als eine lokale Druckänderung. Wenn also in regelmäßigen Abständen der Luftdruck immer mal wieder zu- und abnimmt, dann nehmen wir das als Ton wahr. Bei einer solchen Luftmolekülfront haben wir nun lokal einen sehr hohen Druck und damit einen lauten Knall. []
  12. Dispersion im physikalischen Sinne ist die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (hier also Schallgeschwindigkeit) von der Wellenlänge (hier also Tonhöhe). Mehr in der Wikipedia. []
  13. Kommt übrigens vom mittelhochdeutschen weter = Wetter und leichen = tanzen, hüpfen. Es ist nicht verwandt mit dem deutschen »leuchten«, wie oft angenommen. []
Kurzlink
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6 Antworten auf Wie funktioniert eigentlich so ein Blitz?

  1. Christoph sagt:
    #1

    Wow! Sehr schöner Artikel mit schicken Bildern – aber es sind auch Blitze, und Raketenstarts, und Katzen – die sehen so schon cool aus.
    Aber: hattest du dann heute überhaupt Zeit zum arbeiten? ;-)

  2. André sagt:
    #2

    @Christoph: Ja, hatte ich. Den Artikel habe ich im Wesentlichen am Samstag und Sonntag geschrieben. Heute habe ich nur noch eine Antwort bezüglich der Benutzung eines Bildes abgewartet und ein paar Kleinigkeiten korrigiert.

    Und danke! Das Lob hört man gerne ;)

  3. Andi sagt:
    #3

    Ja. Brauch ich ja nicht mehr sagen, ne? Top-Artikel ;) .

  4. Tommy sagt:
    #4

    @André: Habe deinen Artikel gelesen und kann mich den anderen nur anschließen. Eine Kleinigkeit ist mir allerdings aufgefallen, was vielleicht zu einer Irritation führen kann. Du schreibst unter Phase I: “Und wie das eben mit einem Steinchen und einer Feder im Aufwind ist: das eine geht hoch, das andere runter. Die schweren, negativen Teilchen sammeln sich am unteren Rand der Wolke, die leichten positiven am oberen.” Der Begriff Teilchen wird oft auch für Elektronen und Protonen verwendet und da haben die Träger der negativen Ladung (negativ geladene Teilchen (Elektronen)) nur einen Bruchteil der Masse, die das positiv geladeneTeilchen hat.

    LG

    Tommy

  5. André sagt:
    #5

    @Tommy: Danke für den Hinweis. Ich hab zur Klärung mal eine Fußnote eingefügt.

  6. Gerd H. sagt:
    #6

    Sehr gut verständlich, aber an manchen Stellen sehr unsachlich und ekliger Humor (oder sehr unpassend):
    “Und das, liebe Kinder, ist der gleiche Grund, warum man keine Deodosen ins Feuer werfen soll.”
    ” wie bei dem Glühdraht in den bösen Dingern vor den Energiesparlampen.”
    ” Das ist selbst für professionelle Saunagänger etwas warm.”

    o.O

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