Blitze und Blitzschläge

Transkript

1 Blitze und Blitzschläge Im Durchschnitt toben in der Erdatmosphäre in jedem Augenblick etwa 2000 Gewitter mit etwa 100 Blitzschlägen in jeder Sekunde. Das ergibt fast 9 Millionen Blitze pro Tag. Unsere Urahnen sahen in den Gewittern noch das Wirken ihrer Götter. In der Antike waren es die höchsten Gottheiten, Zeus und Jupiter, die die Blitze schleuderten. Für die Germanen war Thor der Herr über Blitz und Donner. Heute weiß jedes Kind, dass Blitze mit Elektrizität zu tun haben. Doch sehr lange ist das noch nicht bekannt. Im Jahr 1708 äußerte der engliche Naturforscher William Wall als erster die Vermutung, der Blitz könnte eine elektrische Entladung sein. Der Beweis für die Richtigkeit dieser Idee ließ allerdings noch fast ein halbes Jahrhundert auf sich warten. Erst 1752 gelang es dem amerikanischen Naturwissenschaftler und Staatsmann Benjamin Franklin, nach manchen abenteuerlichen Experimenten Blitze mit spitzen Eisenstangen einzufangen und gefahrlos in den Boden abzuleiten: Der Blitzableiter war erfunden! Aber auch ausgeklügelte Blitzableitersysteme bieten keine endgültige Sicherheit vor Blitzeinschlägen. Das könnte nur ein geschlossener Käfig aus metallenen Gitterstäben, ein sogenannter Faradayscher Käfig. Im Deutschen Museum in München klettert bei den Hochspannungsvorführungen ein Museumswärter in einen solchen Drahtkorb und lässt meterlange Blitze auf sein Schutzgehäuse einprasseln. Hinter seinem todesmutigen Blick steht die sichere Gewissheit, dass sämtliche Physikbücher dieser Welt neu geschrieben werden müssten, würde ihm bei diesem Experiment auch nur ein einziges Haar gekrümmt. In der Baugeschichte ungezählter Kirchen und Schlösser findet man Berichte über Blitzeinschläge in Türme und Dächer. Viele Gotteshäuser sind nicht nur einmal vom Blitz in Schutt und Asche gelegt worden. Dennoch wird auch über religiöse Eiferer berichtet, die sich Blitzableitern widersetzt haben, weil sie darin einen frevelhaften Eingriff in das Wirken Gottes sahen. So hat Kurfürst Karl Theodor von Bayern und der Pfalz schwerbewaffnete Soldaten aufmarschieren lassen, um die Blitzableiterbauer an der Münchener Residenz und am Schloss Nymphenburg vor Übergriffen zu schützen. Wie entstehen nun aber eigentlich die Gewitter? So ganz genau ist das auch heute noch nicht bekannt! Es gibt zwar zahlreiche Theorien, von denen aber keine eine voll befriedigende Antwort geben kann. Eine von ihnen nimmt an, dass sich fallende Wassertropfen elektrisch aufladen. Eine andere Theorie geht von der sogenannten Wasserfall-Elektrizität aus. An Wasserfällen, wo das Wasser in viele feine Tröpfchen zerstäubt wird, kann man beobachten, dass sich die Luft negativ auflädt, das am Boden aufprallende Wasser dagegen eine positive Ladung mitbringt. Da auch innerhalb einer Gewitterwolke mit ihren heftigen Winden (s. Seite 202) viele Tropfen regelrecht zerfetzt werden, liegt diese Erklärung nahe. Auch beim Ge- 216 Blitze

2 Aus der Wolke ohne Wahl zuckt der Strahl. frieren von Regentropfen zu Eiskristallen kann es zu Ladungstrennungen kommen, wie auch beim Zusammenstoßen von flüssigen Tröpfchen mit Schneekristallen und Hagelschlossen (s. Seite 208). Welche Vorgänge auch immer den Ausschlag geben: Tatsache ist, dass sich die unteren Partien von Gewitterwolken im Allgemeinen negativ und die oberen positiv elektrisch aufladen. Übersteigen die Spannungen einige Hunderttausend Volt pro Meter, dann bricht die Isolierfähigkeit der Luft zusammen und die Entladung setzt ein. Der Entladungsvorgang, den man in zahlreichen Untersuchungen mit rotierenden Spezialkameras aufgeklärt hat, läuft in einer ganzen Reihe von Teilschritten ab: Zunächst wird von einer Vorentladung ein elektrisch leitender Kanal angelegt. Er entsteht in mehreren Schritten von jeweils etwa 50 Metern Länge in Form einer häufig bizarr verzweigten Zickzackbahn. Nähert sich die Vorentladung der Erdoberfläche, dann baut sich am Boden ein Bereich entgegengesetzter Ladung auf. Die Physiker nennen diesen Vorgang Influenz. Ist diese groß genug geworden, dann springt von der Erde aus dem aus der Wolke kommenden Kanal ein Funke entgegen und vollendet damit die Verbindung. Kaum 10 Millisekunden sind ver- Blitzschläge 217

3 Blitzeinschlag in ein Flugzeug. gangen, bis der Weg für die Hauptentladung vorbereitet ist. Sie selbst besteht aus mehreren heftigen Stromstößen von nur jeweils etwa 40 Millionstel Sekunden Dauer. Dazwischen liegen viel längere Pausen. Gelegentlich kommt es zu einer so großen Zahl von Einzelentladungen, dass der Blitz scheinbar mehrere Sekunden lang dauert. Dabei treten unvorstellbare Stromstärken auf: Ampere sind etwas ganz Gewöhnliches, die Spitzenwerte liegen um Ampere. Die Spannungen, die bei einem Gewitter zwischen Wolken und Erde bestehen, liegen in der Größenordnung 20 bis 30 Millionen Volt, können aber in Extremfällen die Milliarden-Volt-Grenze überschreiten. Bild oben: Von Gewittern gehen auch heute noch vielfältige Gefahren aus. Jeden Sommer kommt es infolge von Blitzeinschlägen zu Bränden oder es werden Menschen verletzt oder getötet. Am sichersten ist man bei Gewittern in Autos oder in Eisenbahnwaggons. Sie sind, wie auch Flugzeuge, beinahe ideale Faradaysche Käfige. Unser Foto zeigt einen Einschlag in ein Flugzeug. Es ist deutlich zu sehen, wie er sich von kleinsten Unebenheiten ausgehend über die Außenhaut verbreitet hat. Flugzeugen können Blitzeinschläge wegen des Ausfalls von Steuerungs-, Navigations- oder Funkeinrichtungen aber dennoch zum Verhängnis werden. Die Piloten sind deshalb sehr streng darauf bedacht, Gewitterwolken stets in gebührendem Abstand zu um- oder überfliegen. 218 Blitze

4 Blitzeinschlag in einen Baum. Bäume werden durch Blitzeinschläge regelrecht zerfetzt. Infolge der plötzlichen Erhitzung werden die Pflanzensäfte im Stamm verdampft und dehnen sich dabei explosionsartig aus. Bild oben rechts: Auch bei geringeren Spannungen, ab etwa Hunderttausend Volt pro Meter, kommt es schon zu Vorentladungen, dem sogenannten Elmsfeuer. Das sind kleine, bläulich leuchtende Entladungen, die von spitzen Gegenständen ausgehen, wie zum Beispiel von Schiffsmasten oder Gipfelkreuzen. Mit Blitzen im Sinne von Gewittern hat das Elmsfeuer nichts zu tun. Die Physiker zählen es zu den sogenannten Koronaentladungen. Der Name dieser Erscheinung soll auf St. Elmo zurückgehen, das ist der italienische Name für den Hl. Erasmus. Da das Elmsfeuer nur eine recht geringe Leuchtkraft besitzt, sieht man es meist in der Tageshelligkeit nicht, man wird aber Laborexperiment zum Elmsfeuer. auch durch sein ausdauerndes Knistern darauf aufmerksam. Um dennoch eine Vorstellung von diesem Phänomen zu vermitteln, ist hier ein Bild von einem Laborexperiment abgedruckt, in dem Elmsfeuer mit einem sogenannten Tesla-Transformator künstlich erzeugt wurde. Bild Seite 220: Eine extrem seltene und deshalb auch recht ominöse Erscheinung ist der Kugelblitz. In den letzten 300 Jahren sind nur etwa 1600 Berichte darüber bekannt geworden. Entsprechend rar sind Fotos von diesem Phänomen. Eines der ganz wenigen ist auf der nächsten Seite wiedergegeben. Obgleich es zurzeit noch keine eindeutige Erklärung gibt, dürfte seine Existenz doch außer Zweifel stehen. Nach übereinstimmenden Beobachtungen tauchen Kugelblitze meist gegen Ende eines besonders heftigen Gewitters auf, und zwar in Blitzschläge 219

5 Eine der extrem seltenen Aufnahmen eines Kugelblitzes. der Nähe von Stellen, an denen ein normaler Blitz eingeschlagen hat. Kugelblitze sind von gelblicher bis rötlicher Farbe, haben die Form einer Kugel und die Größe eines Tennisballs, können aber auch Fußballgröße erreichen. Sie bewegen sich rollend, hüpfend oder schwebend auf einem unregelmäßigen Zickzackkurs. Kugelblitze lieben es, sich durch enge Spalten und Ritzen zu zwängen. Ob man Berichten Glauben schenken darf, wonach sie sogar durch Hosenbeine, Schlüs sellöcher oder geschlossene Fenster geschlüpft sind, sei dahingestellt. Sehr heiß scheinen sie im Allgemeinen nicht zu sein, wenn auch Berichte darüber vorliegen, dass sie Holz entzündet oder Wasser zum Kochen gebracht haben. Meist beenden sie ihr Leben spontan durch eine von einem Knall begleitete Explosion oder platzen lautlos wie eine Seifenblase. Gelegentlich schwinden sie aber auch einfach dahin und lösen sich in Nichts auf. Größere Schäden haben sie gewöhnlich nicht angerichtet. Wenn Menschen oder Tiere zu Schaden gekommen sind, dann mehr durch den Schrecken als durch die Einwirkung des Kugelblitzes. Eine eindeutige Erklärung der Erscheinung ist, wie schon gesagt, bis heute noch nicht gelungen, obwohl es wie üblich eine ganze Reihe von Theorien gibt. Eine von ihnen geht davon aus, dass der Ball aus Plasma besteht. Das ist ein Zustand, in dem die Materie weder fest noch flüssig noch gasförmig ist, sondern aus frei umherfliegenden Atombausteinen besteht. Kürzlich gelang es japanischen Wissenschaftlern, mit Lasern in einem Plasma kugelblitzähnliche Phänomene zu erzeugen. Vielleicht können solche Experimente das Geheimnis der Kugelblitze entschleiern helfen. 220 Blitze