Es liegt Spannung in der Luft

Früher schrieb man Blitz und Donner dem Zorn der Götter zu, heute werden die Gründe für das Naturschauspiel in der Physik gesucht und gefunden: Zunächst einmal muss sich eine Gewitterwolke (Cumulonimbus) bilden, in der starke Aufwinde kleine Eisteilchen nach ganz oben tragen. Wenn diese auf ihrem Weg mit großen, nicht gefrorenen Wassertröpfchen zusammenstoßen, findet eine Trennung der elektrischen Ladung statt: Die schwereren Wassertröpfchen sind anschließend negativ geladen, die kleinen und leichteren Eisteilchen positiv. Dadurch befindet sich in der Gewitterwolke positive Ladung im oberen Teil, während die untere Hälfte negativ geladen ist - ähnlich wie bei einer Batterie (siehe Grafik A). Die durch diese Ladungstrennung verursachten Spannungen innerhalb der Wolke können mehrere Millionen Volt betragen - Donnerwetter!

Da die Natur stets versucht, ein Gleichgewicht herzustellen, muss dieser Ladungsunterschied ausgeglichen werden: Dies geschieht durch die Blitze. Es gibt Blitze innerhalb der Wolke und Blitze zwischen Wolke und Boden. Letztere beginnen mit einem sogenannten "Leitblitz", der sich mit starken Verästelungen von Wolke Richtung Erde ausbreitet (Bild B). Nähert sich dieser negativ geladene Leitblitz dem positiv geladenen Erdboden, so steigt an den Spitzen von exponierten Objekten (z.B. von Kirchtürmen oder Bäumen) die positive Ladung, bis ein bestimmter Wert überschritten wird. Dann starten von den Spitzen dieser Objekte Fangentladungen, die dem Leitblitz entgegenwachsen (Bild C).

Wo nun der Blitz am Boden einschlägt, hängt von der Fangentladung ab, die als erstes mit dem Leitblitz zusammentrifft. Erst nach diesem Zusammentreffen beginnt die Hauptentladung, die wir optisch als Blitz wahrnehmen. Diese startet übrigens am Einschlagspunkt und pflanzt sich Richtung Wolke fort, also von unten nach oben, was vielen nicht bewusst ist, weil alles rasend schnell geht (Bild D). So wird negative Ladung Richtung Boden geführt und der Ladungsunterschied ausgeglichen.

Und wie entsteht der Donner, der viele Menschen zusammenzucken und erschrecken lässt? Das ist etwas schneller erklärt, als die Entstehung eines Blitzes: Der Blitz erwärmt seine umgebende Luft auf bis zu 30.000 °C, wodurch sie sich blitzartig ausdehnt. Sie überschreitet sogar die Schallgeschwindigkeit und durchbricht mit einem Knall die sogenannte Schallmauer - es donnert! Blitz und Donner finden also quasi zur selben Zeit statt. Das Licht des Blitzes bewegt sich aber rasant mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 Kilometer pro Sekunde), während der Klang des Donners sich deutlich "langsamer", nämlich mit Schallgeschwindigkeit (ca. 340 Meter pro Sekunde) fortbewegt. Deshalb sieht man den Blitz meist viel eher, als dass man den Donner hört.

Wenn man die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählt und diese durch drei teilt, erhält man eine ungefähre Kilometerangabe, wie weit das Gewitter noch weg ist. Beträgt der Abstand beispielsweise drei Sekunden, ist das Gewitter ca. einen Kilometer entfernt.

Nach dem turbulenten vergangenen Gewitterwochenende in weiten Teilen Deutschlands werden am heutigen Dienstag hauptsächlich im Nordosten, in den nächsten Tagen wieder verbreiteter, viele Blitze am Himmel zu sehen sein. Es bleibt zu hoffen, dass sie und die begleitenden Starkregenfälle keine allzu großen Schäden mehr anrichten werden...

Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 31.05.2016