Blitz
Ein Blitz ist in der Natur eine Funkenentladung bzw. ein kurzzeitiger Lichtbogen zwischen Wolken oder zwischen Wolken und der Erde, in aller Regel während eines Gewitters in Folge einer elektrostatischen Aufladung der wolkenbildenden Wassertröpfchen bzw. der Regentropfen. Er wird dabei vom Donner begleitet und gehört zu den Elektrometeoren.
Künstlich im Labor mit Hochspannungsimpulsen erzeugte „Blitze“ dienen deren Studium oder der Überprüfung von Einrichtungen des Stromnetzes hinsichtlich der Wirkung von Blitzeinschlägen.
In der Technik werden oft auch Lichtblitze (Lichtimpulse) als „Blitz“ bezeichnet, siehe hierzu u.a. Blitzgerät, Blitzlampe, Fotoblitz und Schaltblitz.
Obwohl Gewitterblitze zu den am längsten studierten Naturphänomenen gehören, sind die der natürlichen Blitzentstehung zugrundeliegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten bis heute noch nicht zweifelsfrei erforscht. Eine Blitzentladung ist dabei deutlich komplizierter als eine reine Funkenentladung.
Inhaltsverzeichnis |
Mythologie
In der Bibel werden Blitze (und Donner) zum Beispiel für den Zorn Gottes verwendet (2.Mose 9,24; 2.Samuel 22,15; Hiob 37; Psalm 18), für das Strafgericht Gottes (Sach 9,14), für Gottes Offenbarung an die Menschen (2. Mose 20,18; OffbJoh 4,5), für das Kommen des Menschensohnes (Matthäus 24,27; Lukas 17,24), für das Fallen des Satans (Lukas 10,18), und für das Wesen der Engel und Auferstandenen (Hes 1,14; Daniel 10,6; Matthäus 28,3).
Die Etrusker sahen in Blitzen Orakel, durch die sie die Zukunft und die Welt zu deuten versuchten. Die so genannten libri fungurales erläuterten die Deutung der Blitze. Schon zu dieser Zeit (zwischen 800–600 v. Chr.) wurden Blitze kategorisiert und beobachtet.
Die Germanen deuteten den Blitz als sichtbares Zeichen dafür, dass Thor seinen Hammer zur Erde geschleudert hatte. Bei den Slawen war es der Gewittergott Perun. Auch Zeus/Jupiter war für Blitz und Donner zuständig (In Renaissance-Darstellungen hält Zeus als Attribut ein Bündel Blitze in der Hand – antike Darstellungen dieser Art sind nicht bekannt. Allerdings finden wir das Element in den literarischen Quellen, u.a. bei Homer.). Den Gewittergöttern Zeus/Jupiter und Donar war außerdem die Eiche geweiht, vielleicht findet sich hier auch der Ursprung für den oft zitierten Spruch: Vor den Eichen sollst du weichen ... Natürlich verehrten noch weitere Völker wie bspw. zahlreiche afrikanische Stämme dieses Phänomen.
Forschung
Benjamin Franklin bewies 1752 die Hypothese, dass bei Gewittern eine elektrische Spannung zwischen Wolken und der Erde besteht, indem er einen Drachen in aufziehende Gewitterwolken aufsteigen ließ und so eine Funkenentladung auslöste. Dies 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.
Heutzutage 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 (Blitztriggerung). 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 erzeugt werden können. Erst seit Ende der 1990er-Jahre hat sich dies geändert, da Ungereimtheiten auftraten, die durch das einfache Modell nicht erklärt werden konnten. Sicherlich steckten damals auch wirtschaftliche Interessen dahinter, es hat sich jedoch als unmöglich herausgestellt, mit den heutigen Mitteln Blitze zu Energiezwecken auszunutzen. Einige der jüngsten Forschungsergebnisse in diesem Bereich werden hier vorgestellt:
- In Österreich läuft auf dem Salzburger Gaisberg ein Blitzforschungsprojekt von ALDIS.
- In Brasilien untersucht das DLR-Forschungsflugzeug Falcon die Entstehung von Stickoxiden durch Blitze in tropischen Gewittern.
- Im Jahre 2001 konnte nachgewiesen werden, dass Blitze auch Röntgen- und Gammastrahlung aussenden. Diese Ergebnisse wurden in den folgenden Jahren vielfach bestätigt, besonders durch den Nachweis von Gammastrahlung aus Gewitterzonen durch den Nasa-Forschungssatelliten RHESSI.
- Im Blitzkanal können auch Kernfusionsreaktionen stattfinden, wie durch Messungen einer russischen Forschungsgruppe nahe Moskau festgestellt wurde, wobei der während der Entladung auftretende Neutronenfluss einige Hundertfache des natürlichen Neutronenflusses (ca. 50 pro cm² und Stunde) betragen kann.[1]
Entstehung
Ladungen in einer Gewitterwolke
Durch die Auf- und Abwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit positiven und negativen Ladungen (siehe dazu Reibungselektrizität). Es handelt sich dabei um Raumladungen, das heißt, dass ein Gebiet mit positiver Ladung sowohl positive als auch negative Ionen enthält, aber die positiven überwiegen. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Der Übergang zwischen positiven und negativen Ladungen findet dabei gewöhnlich in einer Höhe statt, in der die Temperatur zwischen −10°C und −15°C beträgt. Dort findet auch der Übergang zwischen Wassertropfen und Eiskristallen statt, was nahe legt, dass eine Wolke im oberen Bereich vereisen muss, damit Blitze entstehen können.
Allerdings werden positive Ladungen auch oft in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen, so dass die oben beschriebene Ladungstrennung nicht immer zutreffen muss. Unbestritten erscheint jedoch, dass die Ladungstrennung durch Reibung von Eiskristallen (Graupel) aneinander erfolgt. Wenn die elektrische Spannung zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß wird, kann es zu einem Blitz kommen.
Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke
Ein Blitz ist ein Potentialausgleich innerhalb der Wolke (Wolkenblitz) oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke (Erdblitz). Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Potentialunterschied (die Spannung) einige 10 Millionen Volt betragen. In Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer elektrischen Feldstärke von ca. 3 Millionen Volt pro Meter (der so genannten Durchbruchfeldstärke), dieser Wert steigt jedoch stark mit zunehmender Luftfeuchtigkeit an. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen (Messungen ergeben nur extrem selten Feldstärken von über 200.000 V/m, was deutlich unter dem Wert für den Durchbruch liegt). Daher wird heute davon ausgegangen, dass die Luft zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden muss, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.
Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation
Einige Forscher, als erster der spätere Nobelpreisträger Charles Thomson Rees Wilson im Jahre 1925, gehen davon aus, dass durch kosmische Strahlung angeregte Elektronen den Anfang einer Blitzentstehung bilden. Trifft ein solches Elektron auf ein Luftmolekül einer Gewitterwolke, so werden weitere hochenergetische Elektronen freigesetzt. Es kommt zu einer Kettenreaktion, in deren Folge eine Elektronenlawine entsteht (so genannte Runaway-Elektronen, der genaue Mechanismus findet sich im Artikel Runaway-Breakdown).
Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Dabei wird ein Blitzkanal (Leitblitz) geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stoßionisation der Luftmoleküle durch die Runaway-Elektronen gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar zum Erdboden hin gerichtet, variieren aber innerhalb weniger Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Blitzes zustande. Der Leitblitz emittiert - wie neue Forschungen zeigen - auch Röntgenstrahlung mit einer Energie von 250.000 Elektronenvolt (siehe hierzu die Literaturhinweise).
Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen, geht vom Boden eine Fangentladung aus, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meistens bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Masten oder Kirchtürmen) aus, welche sich in ihrer Höhe von der Umgebung abheben. Die Fangentladung trifft häufig, aber nicht immer, mit den Vorentladungen zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal zwischen Wolke und Erdboden. Der Blitzkanal weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann die Hauptentladung, welche sehr hell ist und als eigentlicher Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten des Blitzes wird durch die Bildung von Plasma verursacht.
Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen
Im Durchschnitt bilden vier bis fünf Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0,01 Sekunden, die Hauptentladung dauert nur 0,0004 s. Nach einer Erholungspause zwischen 0,03 s und 0,05 s erfolgt eine neue Entladung. Es wurden schon bis zu 42 aufeinander folgende Entladungen beobachtet. Dadurch kommt das Flackern eines Blitzes zustande. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20.000 Ampere. Bei den Vorentladungen wird der Erdoberfläche meistens negative Ladung und bei den Hauptentladungen der Atmosphäre meistens positive Ladung zugeführt. Dies entspricht einem elektrischen Strom von der Erdoberfläche zur Atmosphäre. In seltenen Fällen wird positive Ladung der Erdoberfläche zugeführt. Man spricht dann von einem positiven Erdblitz. Meistens handelt es sich hierbei um eine besonders intensive Entladung, deren Hauptentladung auch deutlich länger anhält als beim Negativblitz.
Länge eines Blitzes
Die durchschnittliche Länge eines Erdblitzes beträgt in mittleren Breiten 1 bis 2 km, in den Tropen aufgrund der höheren Luftfeuchtigkeit 2 bis 3 km. Ein Wolkenblitz ist ca. 5 bis 7 Kilometer lang, es wurden aber mittels Blitzradar auch (in Wolken) schon Längen von 140 km bestimmt.
Entstehung des Donners
Hauptartikel: Donner
Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30.000 °C erhitzt, was dem Fünffachen der Oberflächentemperatur der Sonne entspricht. Dies führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, wodurch der Knall des Donners hervorgerufen wird. Da der Schall im Gegensatz zum Licht (ca. 300.000 km/s) nur eine Geschwindigkeit von 332 m/s (bei 0 °C) aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen recht genau einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zustande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Der Blitz selbst erreicht etwa ein Zehntel bis ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit, wobei die für das Auge wahrnehmbare Vorentladung (Leitblitz) nur mit einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit verläuft, also mit 300 Kilometer pro Sekunde. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem länger anhaltenden und weniger scharf polternden Geräusch begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Orientierung und Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.
Spannungskegel
An der Stelle, wo der Blitz in den Boden geht (oder aus ihm heraus) bildet sich ein starkes Spannungsfeld (hohes Potential), das von der Stelle des Einschlags nach außen hin kreisförmig abnimmt und sich in das Erdreich kegelförmig spitz fortsetzt, daher der Name. Fläche, Tiefe und Potential des Kegels sind z.B. abhänging von der Stärke des Blitzes, der Bodenbeschaffenheit und Feuchtigkeit. Im Zentrum des Kegels kann es zu Gesteinsschmelze kommen. Es entsteht dann ein Fulgurit.
Mit „Blitzschlag“ ist nicht nur der direkte Treffer gemeint, sondern auch Schädigungen durch den Spannungskegel. Steht z.B. ein Blitzopfer mit beiden Beinen auf dem Boden, liegt an jedem Bein eine etwas andere Spannung an. Die Differenz im Körper, die sogenannte Schrittspannung, führt zu Schäden an Organen. Das kann überlebt werden, wenn die Differenz gering ist, z.B. wenn das Opfer im Moment des Einschlags beide Füße dicht neben einander hat und die Spannungsdifferenz minimiert ist. Bei jemandem, der mit Kopf bzw. Füßen in Richtung Einschlagstelle liegt, ist sie maximiert. Dann führt auch ein Einschlag für denjenigen zu schweren Schäden, der weiter entfernt ist. Stärke und Form des Spannungskegels sind in der Regel nicht vorhersehbar. In einfacher physikalischer Betrachtung nimmt das elektrische Feld (Volt/meter) im Quadrat des Abstandes ab.
Erscheinungsformen
Linienblitz
Ein Linienblitz hat keine Verzweigungen. Er sucht sich jedoch nicht immer den direkten Weg zum Erdboden, sondern kann auch Bögen beschreiben, die aus einer bestimmten Perspektive als Knoten und kreisförmige Verschlingungen gesehen werden können. Der Linienblitz ist häufiger zu sehen als andere Blitze.
Flächenblitz
Ein Flächenblitz zeigt zahlreiche Verzweigungen vom Hauptblitzkanal.
Perlschnurblitz
Der Perlschnurblitz ist eine Blitzart, bei der der Blitz nicht durch einen zusammenhängenden Blitzkanal gekennzeichnet ist, sondern in einzelne, meistens nur wenige Meter lange Segmente zerfällt. Diese einzelnen Segmente leuchten heller und meistens auch etwas länger als ein "normaler" Linienblitz. Von weitem betrachtet sehen die kurzen, leuchtenden Segmente des Blitzes wie eine Perlenschnur aus.
Perlschnurblitze sind wie Kugelblitze sehr seltene Blitzphänomene. In Laboren ist es bereits gelungen, Perlschnurblitze künstlich zu erzeugen. Dennoch hat man ihre Bildung noch nicht restlos verstanden: Als Ursache könnten Instabilitäten im Plasma des Blitzkanals in Frage kommen.
Kugelblitz
Hauptartikel: Kugelblitz
Die Existenz des Kugelblitzes ist auch heute noch eine umstrittene Frage, denn es liegen nur wenige Berichte oder Bilder dieses Naturphänomens vor. Kugelblitze können angeblich durch Mauern und Ritzen dringen und sich langsam in Bodennähe bewegen. Es ist mittlerweile möglich, eine Art Kugelblitz künstlich zu erzeugen [2].
Wetterleuchten
Unter Wetterleuchten (mittelhochdeutsch weterleichen zu "weter" (Wetter) + "leichen" (tanzen, hüpfen), nicht verwandt mit leuchten, wie oft angenommen) wird meistens der Widerschein von Blitzen verstanden, wenn man die Blitze selbst nicht sieht. Es kann bei einem weit entfernten Gewitter oder bei Blitzen, die sich innerhalb von Wolken entladen, entstehen. Den Donner hört man wegen der großen Distanzen meistens nicht oder nur schwach.
Elms-Feuer
Hauptartikel: Elmsfeuer
Ein Elmsfeuer ist eine Funkenentladung gegen die umgebende Luft. Technisch betrachtet ist sie eine Vorentladung aufgrund großer Feldstärke. Sie tritt meistens an hohen Gegenständen wie Antennenmasten, Schiffsmasten, Flugzeugen (beim Fliegen in Gewitternähe oder einer mit Aschepartikeln durchtränkten Luftschicht) oder Gipfelkreuzen auf. Elmsfeuer können eine Blitzentladung einleiten. Bergsteiger berichten öfters, dass diese sog. Spitzenentladung auch am Pickel auftritt, den man daher bei Gewittern nicht in der Hand tragen soll.
Positiver Blitz
Ein positiver Blitz ist ein Blitz, bei dem die Blitzentladung aus dem oberen, positiv geladenen Teil der Wolke zum Boden erfolgt. Diese Blitze sind um einiges stärker als "normale" negative Blitze und können kilometerweit vom eigentlichen Gewitter entfernt einschlagen. Zusätzlich "brennen" sie auch länger als ein negativer Blitz, wodurch sie einen weit größeren Schaden anrichten können. Es wird vermutet, dass positive Blitzschläge Auslöser der Red Sprites sind.
Blue Jets, Kobolde und Elfen
Bei den Elfen (engl. elves) handelt es sich um Blitzentladungen, die die Gase in der Ionosphäre erleuchten. Sie treten über großen Gewitterwolken als rötlicher Ring in etwa 90 km Höhe auf und werden vermutlich durch Wolkenblitze induziert.
Kobolde (engl. Sprites) tauchen in der Mesosphäre in einer Höhe von etwa 70 km ebenfalls über gewaltigen Gewittern auf. Sie breiten sich im Millisekundenbereich nach oben und unten aus, erscheinen meistens rötlich und haben unterschiedliche Formen, von Pilzgebilden bis hin zu Lattenzäunen. Es wird vermutet, dass sie oberhalb der Wolken entstehen, unter denen sich ein positiver Blitz seinen Weg zur Erde bahnt, dass also positive Blitze und Red Sprites immer gemeinsam auftreten. (Hauptartikel: Kobold (Wetterphänomen))
In rund 40 km Höhe entstehen auf ähnliche Weise blaue kegelförmige Entladungen (Blue Jets), die aber Zehntelsekunden dauern können und nach verschiedenen Quellen auf- oder abwärts laufen. Erste Berichte stammen aus dem Jahr 1989, doch vermutlich gab es schon vor dieser Zeit Beobachtungen von Blue Jets und Red Sprites. Flugzeugpiloten, die dieses Phänomen beobachten konnten, behielten es für sich, da sie sonst eventuell außer Dienst gestellt worden wären, wenn man ihnen nicht geglaubt hätte.[3]
Häufigkeit von Blitzen
Weltweit gibt es zu jedem beliebigen Zeitpunkt 2000 bis 3000 Gewitter, was auf der gesamten Erde täglich 10 bis 30 Millionen Blitze ergibt (andere Schätzungen gehen nur von 4 Millionen aus). Das sind über 100 Blitze in jeder Sekunde. Doch nur 10 % aller Blitze schlagen in den Boden ein. Am Ort des Einschlags können sie Temperaturen von mehreren 1000 °C erzeugen.
In der Bundesrepublik Deutschland gab es 2003 über 2 Millionen Blitze. In Österreich schwankt die seit 1992 registrierte Zahl zwischen 100.000 und 222.000, davon allerdings 70 % in der südöstlichen Landeshälfte und nur 10 % im alpinen Tirol. Die bisherige Regel, dass im Gebirge mehr Blitze auftreten, dürfte also nicht überall gelten.
Die allgemeine Blitzhäufigkeit in Deutschland liegt zwischen 0,5 und zehn Einschlägen pro Quadratkilometer und Jahr. Der Schnitt Bayerns liegt bei weniger als einem Blitz pro km² jährlich, in Österreich und Norditalien bei 1–2, in Slowenien bei 3. Fast überall gibt es kleinere Bereiche, in denen die Blitzhäufigkeit zwei- bis dreimal höher als in der Umgebung ist und umgekehrt.
Ferner hängt die Blitzhäufigkeit sehr stark von der Jahreszeit ab. Im Juli und August kommt es zu vielen Blitzschlägen, im Januar gibt es fast keine. Zudem gibt es in Großstädten mehr Blitze, was vermutlich mit der Luftverschmutzung und der Lufttemperatur zusammen hängt.
Am häufigsten blitzt es in Deutschland im Schwarzwald, dicht gefolgt von der Rhein-Main-Gegend, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen. Besonders häufig kommen Blitze in Durban in Südafrika und in den argentinischen Anden vor.
Ein Maß für die Gewitterhäufigkeit in einem Gebiet ist der isokeraunische Pegel. [1]
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Ortung
Blitze rufen starke elektromagnetische Störungen im Funkverkehr hervor. Auf „leeren“ Radiofrequenzen der Lang- und Mittelwelle machen sich Blitze durch deutliches Knacken bemerkbar. Dieses Phänomen wird zur automatischen Ortung von Blitzeinschlägen genutzt. Die Ergebnisse sind auf diversen Internetseiten als Blitzkarten erhältlich. Gegen Versicherungsbetrug nutzen Versicherungen Meldesysteme (zum Beispiel BLIDS von der Siemens AG oder vom österreichischen System ALDIS, das bis Mitteldeutschland reicht), die Blitzeinschläge mit einer Genauigkeit von ca. 300 Metern orten können sollen. Ob die Verwendung der Daten durch Versicherungen zum Ausschluss eines Blitzeinschlags jedoch berechtigt ist, ist fraglich, da das diesen Systemen zugrunde liegende LPATS (Lightning Positioning And Tracking System) nach Herstellerangaben nur eine Ortungswahrscheinlichkeit von 95 % aufweist. Inwieweit dieser Prozentsatz in bergigen Regionen noch eingehalten werden kann, ist unklar. Ein registriertes Blitzereignis geht jedoch auch auf einen Blitz zurück – ob jedoch ein „behaupteter“ Blitz, der lediglich nicht registriert wurde, auch wirklich nicht da war, kann das System nicht dokumentieren.
Weiterhin kann auch die räumliche Ausdehnung und Auswirkung eines Blitzes über das System nur ungenau erfasst werden. Die angegebene Ortungsgenauigkeit bezieht sich auf den elektromagnetischen Impuls, die Position wird über die unterschiedlichen Signallaufzeiten zu den Empfangsstationen ermittelt. Bei einer angenommenen auf die Erdoberfläche projizierten Blitzausdehnung von 1 km würde sich eine Unschärferegion von 500 Metern ergeben.
Vom Boden startende Fangentladungen, die selbst nicht zum Hauptblitzkanal werden, können von den Systemen aufgrund ihrer geringen Intensität oft nicht erfasst werden. Diese schwachen Entladungen können aber bei geringer elektromagnetischer Verträglichkeit elektronischer Einrichtungen ebenfalls Schäden an diesen hervorrufen.
Entfernungsmessung
Um bei einem Gewitter ohne Messmittel eine ungefähre Entfernungsangabe zu erhalten, kann die Zeit zwischen Blitz und Donner in Sekunden gemessen (gezählt) werden. Diese Zeit, multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit (340 m/s), ergibt die Entfernung in Metern, bzw. geteilt durch 3 die ungefähre Entfernung in Kilometern. Diese Bestimmung ist ungenau, da der Donner aufgrund der Blitzausdehnung über einen bestimmten Zeitraum verteilt ist. Sich zur Erde entladende Blitze haben jedoch einen über gewisse Höhen senkrechten Blitzkanal; dieser wird in horizontaler Richtung den Hauptanteil zum Schallereignis beitragen, so dass für dessen Entfernungsbestimmung der Zeitpunkt der größten Lautstärke des Donners herangezogen werden kann.
Blitzstatistik
Deutschland
| Jahr | Anzahl | pro km² | stärkster Monat | Anzahl | Anteil |
|---|---|---|---|---|---|
| 2004 | 1.752.455 | 4,9 | Juli | 747.330 | 43 % |
| 2005 | 1.927.941 | 5,4 | Juli | 869.882 | 45 % |
| 2006 | 2.484.791 | 7,0 | Juli | 1.029.761 | 41 % |
Quelle: BLIDS - der BLitz Informations Dienst von Siemens (Flächenmittelwerte und Prozentsätze berechnet)
Österreich
| Burgenland | Kärnten | Niederösterreich | Oberösterreich | Salzburg | Steiermark | Tirol | Vorarlberg | Wien | Gesamt | |||||||||||
| Jahr | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² | Anzahl | pro km² |
| 1992 | 4.071 | 1,0 | 13.265 | 1,4 | 19.094 | 1,0 | 9.304 | 0,8 | 12.878 | 1,8 | 29.013 | 1,8 | 14.771 | 1,2 | 2.328 | 0,9 | 194 | 0,5 | 104.918 | 1,3 |
| 1993 | 7.979 | 2,0 | 31.293 | 3,3 | 40.701 | 2,1 | 28.291 | 2,4 | 22.614 | 3,2 | 59.656 | 3,6 | 28.155 | 2,2 | 3.384 | 1,3 | 296 | 0,7 | 222.369 | 2,7 |
| 1994 | 5.233 | 1,3 | 27.712 | 2,9 | 22.766 | 1,2 | 12.395 | 1,0 | 15.343 | 2,1 | 41.881 | 2,6 | 25.715 | 2,0 | 3.190 | 1,2 | 244 | 0,6 | 154.479 | 1,8 |
| 1995 | 5.560 | 1,4 | 24.294 | 2,5 | 23.892 | 1,2 | 10.467 | 0,9 | 12.295 | 1,7 | 34.423 | 2,1 | 17.992 | 1,4 | 2.120 | 0,8 | 426 | 1,0 | 131.469 | 1,6 |
| 1996 | 6.014 | 1,5 | 14.756 | 1,5 | 21.262 | 1,1 | 14.153 | 1,2 | 11.853 | 1,7 | 32.690 | 2,0 | 16.665 | 1,3 | 1.835 | 0,7 | 373 | 0,9 | 119.601 | 1,4 |
| 1997 | 5.164 | 1,3 | 23.893 | 2,5 | 20.043 | 1,0 | 12.299 | 1,0 | 10.380 | 1,5 | 39.761 | 2,4 | 10.793 | 0,9 | 962 | 0,4 | 241 | 0,6 | 123.536 | 1,5 |
| 1998 | 10.521 | 2,7 | 30.567 | 3,2 | 28.340 | 1,5 | 16.032 | 1,3 | 15.110 | 2,1 | 55.805 | 3,4 | 21.770 | 1,7 | 1.349 | 0,5 | 664 | 1,6 | 180.158 | 2,1 |
| 1999 | 3.770 | 1,0 | 17.771 | 1,9 | 20.592 | 1,1 | 10.261 | 0,9 | 7.786 | 1,1 | 28.270 | 1,7 | 10.252 | 0,8 | 1.224 | 0,5 | 256 | 0,6 | 100.182 | 1,2 |
| 2000 | 7.849 | 2,0 | 29.079 | 3,0 | 34.074 | 1,8 | 21.522 | 1,8 | 18.993 | 2,7 | 54.673 | 3,3 | 23.286 | 1,8 | 3.745 | 1,4 | 707 | 1,7 | 193.928 | 2,3 |
| 2001 | 5.973 | 1,5 | 17.263 | 1,8 | 24.456 | 1,3 | 16.986 | 1,4 | 10.055 | 1,4 | 29.022 | 1,8 | 14.538 | 1,1 | 1.897 | 0,7 | 368 | 0,9 | 120.558 | 1,4 |
| 2002 | 8.642 | 2,2 | 21.588 | 2,3 | 39.506 | 2,1 | 27.328 | 2,3 | 14.148 | 2,0 | 41.864 | 2,6 | 24.241 | 1,9 | 3.874 | 1,5 | 613 | 1,5 | 181.804 | 2,2 |
| 2003 | 7.620 | 1,9 | 41.241 | 4,3 | 32.510 | 1,7 | 23.636 | 2,0 | 20.555 | 2,9 | 53.095 | 3,2 | 28.483 | 2,3 | 3.419 | 1,3 | 1.196 | 2,9 | 211.755 | 2,5 |
| 2004 | 4.834 | 1,2 | 17.941 | 1,9 | 20.249 | 1,1 | 17.600 | 1,5 | 9.813 | 1,4 | 36.050 | 2,2 | 12.596 | 1,0 | 2.942 | 1,1 | 476 | 1,1 | 122.501 | 1,5 |
| 2005 | 3.996 | 1,0 | 18.923 | 2,0 | 36.400 | 1,9 | 31.584 | 2,6 | 12.289 | 1,7 | 58.585 | 3,6 | 14.318 | 1,1 | 1.577 | 0,6 | 317 | 0,8 | 177.989 | 2,1 |
| 2006 | 8.305 | 2,1 | 43.715 | 4,6 | 50.672 | 2,6 | 38.662 | 3,2 | 28.975 | 4,1 | 72.777 | 4,4 | 37.073 | 2,9 | 3.300 | 1,3 | 501 | 1,2 | 283.980 | 3,4 |
| Durchschnitt | 6.369 | 1,6 | 24.887 | 2,6 | 28.970 | 1,5 | 19.368 | 1,6 | 14.872 | 2,1 | 44.504 | 2,7 | 20.043 | 1,6 | 2.476 | 1,0 | 458 | 1,1 | 161.948 | 1,9 |
Quelle: österreichische Blitzortungssystem ALDIS (Jahresdurchschnitte und Flächenmittelwerte berechnet)
Schweiz
| Jahr | Anzahl | pro km² | stärkster Monat | Anzahl | Anteil |
|---|---|---|---|---|---|
| 2004 | 357.787 | 8,7 | Juli | 145.504 | 41 % |
| 2005 | 354.828 | 8,6 | Juni | 125.093 | 35 % |
| 2006 | 485.929 | 11,8 | Juli | 241.769 | 50 % |
Quelle: BLIDS - der BLitz Informations Dienst von Siemens (Flächenmittelwerte und Prozentsätze berechnet)
Blitzschäden und Schutzmaßnahmen
Siehe auch Hauptartikel Blitzschutz.
Blitze richten in Deutschland jährlich Schäden in Höhe von mehreren Millionen Euro an. Durch Blitzeinschlag können Haus- und Waldbrände entstehen, zunehmend werden jedoch elektrische Geräte beschädigt. Zum Schutz werden daher viele Gebäude mit einem Blitzschutzsystem versehen. Von Versicherungsgesellschaften wird der Blitzschutz privater Gebäude jedoch nicht ausdrücklich verlangt.
Schäden entstehen jedoch nicht nur durch direkten Einschlag, sondern auch durch Potentialunterschiede elektrischer Anlagen oder des Bodens. Überspannungsschutzsteckdosen für elektronische Geräte wie Computer sind daher recht unzureichende Glieder einer Kette von Maßnahmen des Blitzschutzes. Werden sie allein eingesetzt, schützen sie insbesondere dann kaum, wenn an den Geräten weitere Leitungen angeschlossen sind (Telefonleitung, Antennenanlage, Kabelfernsehen). Wirksamer ist, alle Leitungen (Strom, Gas, Wasser, Telefon, Antenne, Kabelfernsehen) bei Gebäudeeintritt auf eine gemeinsame Potentialausgleichsschiene zu führen. Zusätzlich sollten die Strom- und Signalleitungen mit Überspannungsableitern (Grob- und Feinschutz) versehen sein. Bei Antennenanlagen gilt weiterhin die alte Regel, den Antennenstecker vor einem Gewitter vom Gerät abzuziehen.
Während eines Gewitters ist man im Freien – vor allem auf erhöhten Standpunkten – der Gefahr des Blitzschlags ausgesetzt. Am sichersten ist man in einem Haus, insbesondere wenn dieses Stahlbeton oder ein metallenes Rohrleitungsnetz enthält. In Autos ist man in der Regel auch relativ sicher, da diese wie ein Faradayscher Käfig funktionieren und den Blitz außen ableiten sollen. Je nach Beschaffenheit der Außenhaut des Fahrzeugs (Kunststoff) muss dies jedoch nicht immer zutreffen. Es gibt in der Literatur Hinweise, dass es zu Personenschäden in Fahrzeugen gekommen sein soll. Zu bedenken ist auch, dass es bei fahrenden Autos indirekt durch den Schreck und die Blendwirkung zu Unfällen kommen kann[4].
Tödlicher Blitzschlag ist in Deutschland selten geworden; die durchschnittlich 3 bis 7 Todesopfer pro Jahr (2002: 3 Todesopfer) ließen sich durch weitere Vorsichtsmaßnahmen noch weiter reduzieren. Im 19. Jahrhundert wurden in Deutschland noch an die 300 Personen jährlich vom Blitz getötet, da wesentlich mehr Menschen auf freiem Feld arbeiteten und sie sich nicht in geschützte Objekte wie Autos, Traktoren oder Mähdrescher zurückziehen konnten.
Ein besonders spektakulärer Blitzschaden ereignete sich 1970 am Langwellensender Orlunda in Schweden. Damals zerstörte ein Blitzschlag den Fußpunktisolator des 250 Meter hohen Zentralmasts des Langwellensenders und brachte diesen somit zum Einsturz.
Verhalten bei Gewittern
Um nicht vom Blitz getroffen oder durch einen nahen Einschlag verletzt zu werden, müssen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, von denen die wichtigsten hier vorgestellt werden.
- Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen suchen. Fahrzeuge mit geschlossener Metallkarosserie und Gebäude mit einem Blitzschutzsystem oder aus Stahlbeton wirken wie ein Faradayscher Käfig und bieten so maximale Sicherheit.
Gelegentlich wird allerdings gemeldet, dass vom Blitz getroffene Autos Feuer gefangen haben [5]. Gefahr droht während der Fahrt auch durch die Blendwirkung sowie durch den Umstand, dass der Blitz von den Felgen auf den Erdboden springen und so die Reifen ansengen kann.
- Da Badewannen, Duschwannen und Wasserleitungen zwar in der Regel geerdet sind, jedoch oft nicht über eine geeignete Potentialausgleichsleitung verbunden sind, sollte bei Gewitter nicht gebadet oder geduscht werden.
Wenn kein Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen gefunden werden kann und um nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden, gelten folgende Regeln:
- Offenes Gelände, Hügel und Höhenzüge meiden.
- Aufenthalt auf oder in Gewässern und Pools vermeiden.
- (wegen der Schrittspannung) Füße zusammenstellen, in die Hocke gehen, Arme am Körper halten, den Kopf einziehen, eine Vertiefung aufsuchen.
Um nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein, sollte man folgendes zusätzlich beachten:
- Die unmittelbare Nähe von Bäumen, Masten und Türmen meiden. Blitze schlagen besonders häufig in freistehende, hohe Objekte ein (Andererseits kann dies den Blitz auch von bedrohten Personen ablenken. Es empfiehlt sich in solchen Notfällen eine Distanz von 50 bis 100m zum blitzanziehenden Objekt). Wenn die Grundfläche des Objekts klein ist, ist die elektrische Feldstärke im Boden in unmittelbarer Nähe des Objektes besonders groß und daher auch die mögliche Schrittspannung. Wenn die Leitfähigkeit des Objekts eingeschränkt ist, wie zum Beispiel bei Bäumen, besteht die Gefahr umhergeschleuderter abgesprengter Teile und des Austritts des Blitzes in Bodennähe.
-
- Höhleneingänge und enge Mulden meiden, besser tiefer in die Höhle gehen. Der Blitz verteilt sich nach einem Einschlag zunächst nahe der Bodenoberfläche, der er an Höhleneingängen und engen Mulden unter Umständen nicht folgen kann. Dann springt ein Sekundärblitz über, von dem Schutzsuchende getroffen werden können.
- Nicht hinlegen, sondern den Kontaktbereich zum Boden minimieren. Mit zusammengestellten Füßen in der Hocke verharren und sich nicht mit den Händen abstützen. Gummisohlen und isolierende Materialien als Standfläche sind vorteilhaft. Gegen einen direkten Blitzschlag können sie aber auch dann nicht schützen, wenn sie mehrere Zentimeter dick sind.
Die Sicherheit hängt vom vorausschauenden Verhalten ab: Nachdem das Gewitter bemerkt wurde, sollte man abhängig von Entfernung und Geschwindigkeit den sichersten erreichbaren Zufluchtsort aufsuchen. Anhand der Zeitdifferenz zwischen Blitz und Donner lässt sich der Abstand des Gewitters berechnen (siehe oben Entfernungsmessung). Durch Wiederholung der Berechnung lässt sich die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Gewitters abschätzen. Unter 3 Sekunden Abstand zwischen Blitz und Donner, also unter ca. 1 km Entfernung, ist jederzeit die Möglichkeit eines Einschlags in der Nähe gegeben.
Vermutlich teilweise falsch überliefert ist ein altes deutsches Sprichwort:
- Vor den Eichen sollst du weichen
- Und die Weiden sollst du meiden.
- Zu den Fichten flieh mitnichten,
- Linden sollst du finden,
- Doch die Buchen musst du suchen!
Früher wurden niedrige Gewächse (Büsche) im Deutschen als „Bucken“ bezeichnet. Man soll sich also wohl eher ins Gebüsch schlagen, als sich neben eine Buche zu stellen. Die Blitzhäufigkeit und dessen Auswirkung ist jedoch durchaus von Baumart zu Baumart verschieden, so verläuft der Blitzkanal in Eichen z.B. unter der Rinde, ohne den Baum vollständig zu zerstören, wohingegen Birken oft komplett zerlegt werden. Mit Sicherheit haben auch die Form des Wurzelsystems, die Leitfähigkeit von Gewebe und Boden und die Wuchsform und Höhe der Krone und vor allem der Standort des Baumes Auswirkungen auf Blitzhäufigkeit und Folgen.
Baurecht und Blitzschutz
Siehe auch Hauptartikel Blitzschutz.
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Gesetzliche Vorgaben
Bauliche Anlagen, bei denen nach Lage, Bauart oder Nutzung Blitzschlag leicht eintreten oder zu schweren Folgen führen kann, sind mit dauernd wirksamen Blitzschutzanlagen zu versehen. (Deutschland – Auszug aus der Musterbauordnung 2002)
Bauliche Anlagen sind mit Blitzschutzanlagen, die den Erfahrungen der technischen Wissenschaften entsprechen, auszustatten, wenn sie durch ihre Höhe, Flächenausdehnung, Höhenlage oder Bauweise selbst gefährdet oder widmungsgemäß für den Aufenthalt einer größeren Personenzahl bestimmt sind oder wenn sie wegen ihres Verwendungszweckes, ihres Inhaltes oder zur Vermeidung einer Gefährdung der Nachbarschaft eines Blitzschutzes bedürfen. (Österreich – Auszug aus der Bauordnung Wien)
Diese oder ähnliche Vorgaben finden sich in vielen Landesbauordnungen. Der Gesetzgeber schreibt damit für jedes Bauvorhaben eine Einzelfallprüfung vor. Es ist zu prüfen, ob Blitzschlag leicht eintreten (zum Beispiel anhand der Lage und Ausdehnung des Gebäudes) oder zu schweren Folgen (zum Beispiel Personenschaden) führen kann.
Risikoanalyse – Blitzschutznachweis
Der Gesetzgeber benennt keine technische Regel, nach der diese Prüfung durchgeführt werden soll. Im Prinzip ist daher der Bauherr/Architekt in der Nachweisführung frei, soweit alle im Gesetzestext genannten Einflussgrößen (Lage, Bauart, Nutzung, Folgen) detailliert betrachtet werden.
Zur Abschätzung des Risikos eines Blitzeinschlages in Gebäude und Bauwerke siehe Blitzschutz.
In der Praxis erweist sich das als gar nicht so einfach, weil in der Regel die erforderlichen Abschätzungen eine entsprechende Erfahrung voraussetzen. Welcher Arbeitsaufwand hinter einer fachgerechten Risikobeurteilung stecken kann, lässt sich anhand der DIN VDE V 0185 Teil 2 ablesen. Diese Norm erfüllt vom Umfang die gesetzlichen Mindestanforderungen, die Anwendung ist also baurechtlich zulässig. Andererseits ist der Aufwand für die Datenerfassung und Berechnung für viele Bauvorhaben unangemessen hoch. Besonders problematisch ist jedoch, dass in Einzelfällen die Berechnungsergebnisse nicht mit dem geltenden Baurecht in Einklang stehen. Der Gesetzgeber oder die Rechtsprechung haben für bestimmte Gebäudetypen/Nutzergruppen andere Festlegungen getroffen. Weichen die Berechnungsergebnisse der Risikoermittlung von den gesetzlichen Forderungen ab, so sind grundsätzlich die höheren Anforderungen umzusetzen.
Die Risikoermittlung wird immer nur der erste Schritt bei der Planung einer Blitzschutz-Anlage sein, in einem weiteren Schritt sind die baurechtlichen Besonderheiten zu berücksichtigen und anschließend sind die in der Risikoermittlung getroffenen Annahmen (ausgewählte Reduktionsfaktoren, Schadenfaktoren usw.) umzusetzen. Auch für die anschließende Planung des Blitzschutzes einer baulichen Anlage werden in der DIN EN 62305 (VDE 0185-305):2006-11 Teil 1 bis 4 weiterführende Aussagen getroffen.
Andere natürliche Blitzerscheinungen
Die in folgenden erwähnten Leuchterscheinungen haben nichts mit Gewittern zu tun.
Tscherenkow-Blitze
In der Erdatmosphäre werden in circa zehn Kilometern Höhe durch einzelne, extrem energiereiche Gammastrahlungs-Quanten von Galaxien und Supernova-Überresten Hunderte von energiereichen Sekundärteilchen ausgelöst. Diese wiederum sind ebenso wie die Gammaquanten selbst zunächst nicht direkt sichtbar, sondern erzeugen beim Abbremsvorgang einen Schauer von weiteren Sekundärteilchen hoher Energie, die in der Hochatmosphäre gerichtete Lichtblitze hervorrufen. Die Untersuchung dieser Leuchterscheinungen spielt in der Gammaastronomie eine wichtige Rolle. Die Tscherenkow-Blitze sind nur schwierig zu beobachten, obwohl die auslösenden Gammaquanten enorme Energien von einigen Teraelektronenvolt haben (billionenmal mehr als Quanten sichtbaren Lichtes). Sie können nur vom Weltraum aus oder mit Tscherenkow-Teleskopen von der Erdoberfläche aus beobachtet werden. Interessant ist diese Beobachtung weniger für Meteorologen als für Astrophysiker, weil die Herkunft solch energiereicher Gammaquanten teilweise noch nicht geklärt ist.
Die Forschungen begannen 1989 am Whipple-Tscherenkow-Teleskop, einem Metallspiegel von etwa 10 Metern, mit dem das erste Mal von der Erde aus eine extragalaktische Gammaquelle beobachtet werden konnte. Mit Instrumenten der zweiten Generation, unter anderem den HEGRA-Teleskopen auf der kanarischen Insel La Palma, wurde ein weiteres Dutzend Objekte entdeckt. Das erste große Tscherenkow-Teleskop, das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ging 2002 in Namibia in Betrieb und registriert die „Blauen Blitze“ mit einer Anordnung von vier großen Spiegeln. Das Projekt wird von 70 Wissenschaftlern aus Europa und Afrika betreut. Aus Deutschland sind das Max Planck Institut und vier weitere Institute beteiligt.
Gammastrahlungsblitze
Die sogenannten Gammastrahlungsblitze (oft engl. gamma ray bursts) sind extragalaktischen Ursprungs. Sie können nur direkt im Weltraum beobachtet werden. Ihre Entdeckung „verdanken“ sie einem Satellitensystem zur Überwachung künstlicher Atomexplosionen auf der Erde, bei dem es zu Fehlalarmen kam.
Gammastrahlungsblitze haben ebenfalls nichts mit Gewittern zu tun; sie entstehen vermutlich durch gerichtete Gamma-Emissionen beim Zusammenprall von Neutronensternen untereinander oder solcher mit Schwarzen Löchern.
Iridium-Flares
Die sogenannten Iridium-Flares entstehen durch Spiegelungen des Sonnenlichtes an den Solarpanels der Iridiumsatelliten. Sie sind also künstlichen Ursprunges. Es handelt sich dabei auch nicht um Blitze (englisch: flash), sonderen um ein mehrere Sekunden dauerndes Aufleuchten (englisch: flare).
Quellen
- ↑ http://www.physorg.com/news6674.html
- ↑ http://plasma.physik.hu-berlin.de/sonstiges/Kugelblitz.htm
- ↑ Spiegel-online
- ↑ http://www.n-tv.de/816842.html
- ↑ http://www.polizei.so.ch/meldung/m5498.htm
Siehe auch
Literatur
- Peter Hasse, Johannes Wiesinger: Handbuch für Blitzschutz und Erdung – mit 33 Tabellen. VDE-Verlag, Offenbach 1993, ISBN 3-7905-0657-5.
- Joseph R. Dwyer: Vom Blitz getroffen. In: Spektrum der Wissenschaft 11/2005, Spektrum d. Wiss. Verlag, Heidelberg 2005, S. 38–46, ISSN 0170-2971. (zu neuen Theorien zur Blitzentstehung)
- Ambros P. Speiser: Wenn Blitze züngeln und der Donner grollt. In: Physik in unserer Zeit 30(5), Wiley-VCH, Weinheim 1999, S. 211–215, ISSN 0031-9252.
- Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen. In: Physik in unserer Zeit 33(6), Wiley-VCH, Weinheim 2002, S. 256–261, ISSN 0031-9252.
- Ursel Fantz, Andreas Lotter: Blitze zum Anfassen: Plasmaphysik. In: Physik in unserer Zeit 33(1), Wiley-VCH, Weinheim 2002, S. 16–19, ISSN 0031-9252.
- Nick Arnold: Hochspannend, Die Elektrizität. In: Wahnsinns Wissen,Loewe, Bindlach 2001, S. 57–79, ISSN 0031-9252.
Weblinks
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Wiktionary: Blitz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
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Commons: Blitz – Bilder, Videos und Audiodateien |
- www.weltderphysik.de - Wie entstehen Gewitterblitze?
- www.weltderphysik.de - Infographik zur Blitzentstehung
- Welt der Physik - Blaue Blitze aus dem Kosmos - Das HESS-Experiment
- Österreichisches Blitzortungssystem ALDIS (Austrian Lightning Detection & Information System)
- Fotos von Blitzen
- Kosmische Teilchen als Auslöser von Blitzen?
- Blitzfragen und Blitzschutz
- NASA-Artikel zu den Auswirkungen von Blitzschlägen auf den Menschen - Engl.
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