Der Blitz — furchterregende Naturgewalt

EINES der furchteinflößendsten Schauspiele ungezügelter Kraftentfaltung, die die Natur zu bieten hat, ist der Blitz. Fast jeder hat schon das eine oder andere Mal einen Gewittersturm mit all seinen Begleiterscheinungen miterlebt: Wolkenbrüche, grelle Blitze, krachende Donner und die gespannte Erwartung des nächsten Schlages.

Würdest du gerne mehr darüber erfahren, wie diese mysteriöse elektrische Erscheinung am Himmel zustande kommt? Welche Vorgänge während eines Gewitters lassen derart gewaltige Kräfte entstehen? Da der Blitz eine in der Atmosphäre sichtbare elektrische Erscheinung ist, müssen wir etwas über die elektrischen Verhältnisse der Luft wissen, um verstehen zu können, wo der Blitz entsteht.

Eine elektrische Atmosphäre

Zwar sind wir uns normalerweise nicht dessen bewußt, doch die Atmosphäre, in der wir leben, ist elektrisch stark geladen. Das elektrische Potential der Atmosphäre ist wirklich erstaunlich hoch. Bei klarem Wetter nimmt das Potential über der Erdoberfläche um etwa 150 Volt pro Meter zu. Die Luft ist gegenüber dem Boden elektrisch positiv geladen, und mit zunehmender Höhe vergrößert sich die Spannung.

Stehst du also im Freien — weit weg von Gebäuden und Bäumen, kann die Spannung, die in Höhe deines Kopfes besteht, 250 Volt größer sein als die in Bodenhöhe. Wieso verspüren wir dann nicht die Auswirkungen dieser Spannung? Man könnte bei einer solch hohen Spannung und einer genügend großen Stromstärke einen elektrischen Schlag bekommen, der zum Tode führen würde, doch wir verspüren nicht einmal einen winzigen Funken. Der Grund liegt darin, daß die Luft ein guter Isolator ist. Unsere Haut ist ein vergleichsweise guter elektrischer Leiter und sorgt dafür, daß unser Körper überall das gleiche Potential hat. Das Potential der Atmosphäre kann man nur mit sehr empfindlichen Instrumenten messen, die sorgfältig isoliert und abgeschirmt sind, damit sie mit nichts in Berührung kommen, was eine elektrostatische Ladung tragen könnte.

Das Potential würde, wenn es immer weiter in diesem Verhältnis steigen würde, in nur 100 Meter Höhe 15 000 Volt betragen. Dem Potential ist jedoch dadurch eine Grenze gesetzt, daß die Luft in großen Höhen, über der Stratosphäre, zum elektrischen Leiter wird. Wodurch entsteht dieser Unterschied, nämlich daß die Luft einerseits am Boden ein derart hervorragender Isolator und andererseits in großen Höhen ein guter Leiter ist? Die Antwort liegt in dem Phänomen der Ionisierung.

Die Luftmoleküle, und zwar sowohl die Stickstoff- als auch die Sauerstoffmoleküle, sind normalerweise neutral. Das bedeutet, daß die positive Ladung jedes Atomkerns völlig ausgeglichen wird durch die negativen Ladungen der Elektronen um den Kern. Wird jedoch eines der Elektronen aus seiner Bahn entfernt, bleibt ein positiv geladenes Molekül zurück. Wir sagen dann, das Molekül sei ionisiert, es sei ein Ion.

Dieser Vorgang der Ionisierung kann verschiedene Ursachen haben, doch in dem klaren, unteren Teil der Atmosphäre sind die „Hauptschuldigen“ die kosmischen Strahlen, von denen wir vom Weltraum aus bombardiert werden. Energiereiche Teilchen treffen auf die Moleküle mit enormer Wucht auf, schlagen Elektronen heraus und lassen somit positive Ionen zurück. Diese freien Elektronen können sich mit anderen Molekülen verbinden, wodurch negative Ionen entstehen. Schon in einer Höhe von 50 Kilometern werden so viele Ionen erzeugt, daß die Luft zu einem guten Leiter wird.

Diese leitende Luftschicht nennt man Elektrosphäre. Sie wird manchmal als Teil der Ionosphäre betrachtet, doch dieser letztgenannte Ausdruck bezeichnet korrekterweise höhere Schichten — über 100 Kilometer Höhe —, die Radiowellen reflektieren.

Der Boden ist ebenfalls ein guter Leiter. Hier wird der Strom durch Ionen weitergeleitet, die sich in Lösungen des Grundwassers befinden. Jedes in Wasser gelöste Mineral ist ionisiert. Daher entstehen aus Salz positive Natrium- und negative Chloridionen. Gips wird zu Kalzium und Sulfationen. Das Grundwasser enthält überall mehr oder weniger gelöste Mineralien, und ein sogar ziemlich trockener Erdboden hat immer noch etwas Feuchtigkeit. Obschon ein kleiner Erdklumpen vielleicht nicht sehr leitfähig ist, gibt die Erdkruste durch ihre Weitflächigkeit insgesamt einen hervorragenden Leiter ab.

Bei einem guten Leiter müssen alle Teile das gleiche elektrostatische Potential aufweisen. Wenn das Potential aus irgendeinem Grund an einer Stelle ansteigt, wird von dort zu den Stellen niedrigeren Potentials Strom fließen, bis alles ausgeglichen ist. Das trifft auf die Erde zu. Ebenso auf die Elektrosphäre. Doch der untere Teil der Atmosphäre ist ein Isolator, der die beiden voneinander trennt. Dadurch wird es möglich, den großen Potentialunterschied zwischen beiden aufrechtzuerhalten. Eigentlich bildet dieses System einen riesigen elektrischen Kondensator, wobei die Erde negativ und die Elektrosphäre positiv geladen ist. Das Potential über der Atmosphäre beträgt im Durchschnitt ungefähr 300 000 Volt. Im Laufe eines Tages ändert sich das beträchtlich von Stunde zu Stunde und im Laufe eines Jahres von Monat zu Monat.

Es gibt keinen vollkommenen Isolator. Mit genügend empfindlichen Instrumenten kann man sogar in den unteren Atmosphärenschichten einen winzigen Strom feststellen. Sie sind leicht leitend, da ein paar kosmische Strahlen bis zum Boden vordringen. Die Erde hat einen Überschuß an Elektronen, und sie lösen sich ständig an einer Vielzahl von Punkten von der Erdoberfläche ab. Solche Punktentladungen finden an verschiedenen Stellen statt — bei Bäumen an den Blattenden, an den Spitzen von Gräsern und sogar an scharfen Ecken von Sandkörnern. Ferner wird das elektrische Feld an den Spitzen und Dachecken von hohen Gebäuden verengt, und die Entladung von Elektronen konzentriert sich auf solche Stellen. Erdenweit gesehen, ergeben diese winzigen Entladungen einen Gesamtstrom, der groß genug ist, um zwischen der Elektrosphäre und der Erde in weniger als einer Stunde einen völligen Ladungsausgleich herbeizuführen. Folglich muß es einen Ladevorgang geben, der den Elektronenüberschuß auf der Erde aufrechterhält. Hierbei spielt der Blitz eine Rolle.

Das Gewitter als Generator

Man kann am Himmel verschiedene Arten von Wolken beobachten. Die meisten sind waagrecht und mehr oder weniger flach. Unsere größte Aufmerksamkeit erregen die schönen weißen Kumuluswolken, die sich wie ein riesiger Blumenkohl hoch in den blauen Himmel türmen. Unter entsprechenden Wetterbedingungen wächst eine große Kumuluswolke immer weiter, erhebt sich über Tausende von Metern in die Stratosphäre und verbreitert sich gleichzeitig im unteren Teil. Damit wird sie eine Kumulonimbus oder eine Gewitterwolke. Wenn sie voll entwickelt ist, wird ihr oberer Teil zu einer Feder geblasen, wodurch die Wolke den vertrauten Anblick eines Ambosses bietet. Aus der Ferne betrachtet, wirkt sie immer noch schön, doch denen, die sich unter der Gewitterwolke aufhalten, erscheint sie als eine dunkle, drohende Wolkenmasse. Bald werden Sturzbäche von Regen, manchmal gemischt mit Hagel, den Erdboden tränken.

Durch diese Art Wolke entstehen Blitz und Donner. Sie gleicht einem gigantischen elektrischen Generator am Himmel und erstreckt sich von acht Kilometer Höhe bis in achtzehn Kilometer Höhe, wobei sie ein Gebiet von 3 000 Quadratkilometern überschattet. Innerhalb der Wolke wehen heftige Auf- und Abwinde, die die Wassertropfen und Eiskristalle auf Geschwindigkeiten von 40 bis 100 Stundenkilometer beschleunigen. Unzählige Wasser-, Eis-, Graupel- und Hagelteilchen tanzen auf und ab, während die Wolke sich verdreht und sich windet, sich türmt und aufquillt.

Natürlich zieht während der ganzen Zeit die Schwerkraft am Wasser und am Eis, und irgendwie werden durch die so entstehende Reibung die Elektronen und Ionen an den Grenzflächen zwischen Luft, Wasser und Eis voneinander getrennt. Die ständig wehenden Winde entfernen die Ladungen voneinander. Sie tragen die positiven Ladungen in der Wolke nach oben, wogegen die negativ geladenen Regentropfen in den unteren Teil fallen. Je fortgeschrittener das Stadium der Wolke ist, um so größer wird der Potentialunterschied zwischen oben und unten. Schließlich scheint sie mit ihrem ungeheuren Ladungsüberschuß „aus den Nähten zu platzen“. Die Wolke sucht gewaltsam nach Mitteln und Wegen, um sich der Hunderte von Millionen Volt zu entledigen, die sich in ihr aufgespeichert haben. Einer größeren elektrischen Spannung kann die Isoliereigenschaft der Luft nicht standhalten. Die Isolierung bricht nun doch zusammen, und die Spannung wird durch einen grellen Blitz ausgeglichen.

Wie man schätzt, ereignen sich auf der Erde, und zwar hauptsächlich auf der Landfläche, zu jeder Zeit ungefähr 3 000 Blitze.

Viele Blitze finden innerhalb der Wolke statt, doch die negative Ladung, die am Unterteil der Wolke aufgebaut wurde, überwiegt bei weitem das normale Potential des Erdbodens, so daß auch auf die Erde Blitze niedergehen, um Elektronen abzuleiten. Löst sich die Gewitterwolke auf, entweicht die positive Ladung des oberen Teils in die Elektrosphäre. Bei schönem Wetter sickern positive Ionen durch die Atmosphäre zur Erde durch, um ihre negative Ladung zu neutralisieren, und negative Ionen steigen zur Elektrosphäre auf, um sie zu neutralisieren. Damit ist der Kreislauf geschlossen.

Ein Blitz in Zeitlupe

Die in der Wolke auftretenden Blitze zu untersuchen bereitet Schwierigkeiten; für den Wissenschaftler und seine empfindlichen Instrumente ist diese Umgebung nicht sehr günstig. Erdblitze dagegen kann man beobachten und mit Hochgeschwindigkeitskameras fotografieren, so daß die Wissenschaftler über die schrittweise Entstehung eines Blitzes schon viele Kenntnisse gewonnen haben. Im folgenden ist beschrieben, welches Bild sich dabei ergibt.

Bei Laborversuchen mit der Isoliereigenschaft der Luft hat sich ergeben, daß ein Blitz dann entsteht, wenn das elektrische Feld eine Stärke von ungefähr 3 Millionen Volt pro Meter erreicht hat. Bei dieser Spannung werden die wenigen Elektronen, die ständig durch die kosmischen Strahlen freigesetzt werden, genügend fest gestoßen, so daß sie auf neutrale Moleküle treffen und aus ihnen Elektronen herausschlagen. Diese wiederum werden beschleunigt, stoßen auf weitere Moleküle und ionisieren sie. So baut sich eine regelrechte Elektronenlawine auf, die sich von der negativen Ladung der Wolke entfernt und eine Spur positiver Ionen hinterläßt. Dadurch wird der Widerstand der Luft geschwächt, und für die Entwicklung des Blitzes durch die isolierende Schicht ist die Bahn gebrochen.

Anhand von Kameras, die den Vorgang in Millionstelsekunden (Mikrosekunden) aufnehmen, kann man zeigen, daß er schrittweise abläuft. Von dem Punkt der Wolke aus, an dem die Luft im Augenblick einen schwächeren Widerstand bietet, bahnt sich schrittweise ein Kanal, und die Elektronenlawine schießt ungefähr 50 Meter weit vor. Dann geht ihr sozusagen die Puste aus, und sie hält für einen Moment inne, wobei sich an ihrer Spitze das Potential aufbaut. Nach ungefähr 50 Mikrosekunden schießt sie wieder weiter vor, vielleicht in eine andere Richtung, je nach dem Widerstand der ionisierten Luft in der Umgebung. Auf diese Weise bildet sich in Richtung Erde Schritt für Schritt ein Kanal stark ionisierter Luft, der zwischen 1 und 10 Meter dick ist.

Da die Luft an einigen Stellen stärker ionisiert ist als an anderen, dreht und wendet sich der Kanal, um sich jede günstige Veränderung zunutze zu machen. Auf diese Weise gibt der Blitz dieses vertraute verzweigte Bild ab, während er so in die eine und die andere Richtung schießt, um die verschiedenen Abzweigungen „auszukundschaften“ in dem ständigen Bemühen, zur Erde den Weg des geringsten Widerstandes zu finden. Hat er sich seinem Ziel auf mehr als 50 Meter genähert, kommt von unten von einer günstigen Stelle aus ein Strahl entgegen. Jetzt ist der Stromkreis geschlossen. Die Wolke hat nun eine „Pipeline“, durch die sie sich ihrer lästigen Bürde von überschüssigen Elektronen entledigen kann.

Zuerst fließen durch den Kanal die Elektronen, die dem Boden am nächsten sind. Unmittelbar danach folgen die Elektronen, die von oben her nachdrängen. Der herrlich aufleuchtende Gegenblitz erreicht die Wolke mit einer Geschwindigkeit, die an die Lichtgeschwindigkeit herankommt. Während die Entladungen oder „Teilblitze“, die den Kanal ausbildeten, 20 000 Mikrosekunden benötigten, um den Boden zu erreichen, schafft der Gegenblitz die Strecke in lediglich 70 Mikrosekunden. Die Wolke entläßt jetzt während ungefähr 40 Mikrosekunden einen Strom von 10 000 bis 20 000 Ampere oder mehr. In diesem kurzen Augenblick erzeugt sie eine Energie von Milliarden von Kilowatt — mehr Energie als all die Kraftwerke der Erde zusammengenommen. Wirklich, das ist eine furchteinflößende Energieentfaltung!

Dieser Blitz stirbt schnell ab, was jedoch nur selten das Ende der Aktion bedeutet. Der Kanal, den sich der Blitz durch die Luft gebahnt hat, bleibt bestehen und ist immer noch stark ionisiert. Andere noch stark geladene Teile der Wolke bewegen sich rasch an die entladene Stelle und „blitzen“ durch den noch bestehenden Verbindungskanal zur Erde. Folglich gibt es normalerweise drei oder vier aufeinanderfolgende Entladungen, die sich so schnell wiederholen, daß sie wie ein einziger Blitz aussehen. Manchmal sind mehr als ein Dutzend Entladungen nötig, um die Ladung der Wolke abzuleiten.

In nur einer Fünftelsekunde hat der Blitz jetzt sein Werk vollbracht. Darauf folgt der Donner. Man kann ein Knallen, Rollen oder Rumpeln vernehmen, je nachdem wie weit man vom Blitz entfernt ist. In dem Kanal, den sich der Blitz gebahnt hat, ist ein dünner, gekrümmter Luftschlauch von nur einigen Zentimetern Dicke auf mehr als 30 000 °C erhitzt worden. Sobald der Strom abebbt, dehnt sich dieser überhitzte Luftschlauch explosiv aus — mit Überschallgeschwindigkeit. Die Stoßwelle dieser Ausdehnung erzeugt den Donner, der bis in 25 Kilometer Entfernung hörbar ist.

Vielleicht fragst du dich, warum es der Schöpfer für angebracht hielt, diese blitzartigen Entladungen zu ermöglichen. Dienen sie irgendeinem Zweck? Allerdings. Sie spielen eine hervorragende Rolle im Stickstoffkreislauf der Natur. Stickstoff ist lebenswichtig, und die Atmosphäre hat große Vorräte davon. Er kann indes von Lebewesen nicht direkt verwendet werden. Vielmehr werden durch die starke Hitze des Blitzes sowohl Stickstoff- als auch Sauerstoffmoleküle in Atome gespalten, und während sie sich abkühlen, verbinden sich viele zu Stickstoffoxyden. Diese Verbindungen lösen sich im Regen auf und werden in den Boden gewaschen. Nachdem sie dort zu Nitraten umgewandelt worden sind, bilden sie einen wichtigen Dünger für wachsende Pflanzen. Es handelt sich dabei um einen Vorgang, der für die natürliche Bindung des Stickstoffs wesentlich ist. Man schätzt, daß durch den Blitz jedes Jahr Milliarden Tonnen von Nitrat erzeugt werden.

Mit dem Blitz leben

Man hat guten Grund, sich bei einem starken Gewitter unwohl zu fühlen. Blitze haben eine enorme Zerstörungskraft. Sie können Bäume und Telegrafenmasten zersplittern, in Dächer und Wände Löcher schlagen und viele Wald- und Häuserbrände verursachen. Oftmals entwickelt der elektrische Strom in einem Baum eine derartige Hitze, daß die Feuchtigkeit des Holzes augenblicklich verdampft und der überhitzte Dampf den Baum buchstäblich in Stücke reißt.

Ein Blitz kann bekanntlich auch tödliche Folgen haben. Häufig werden Tiere, die während eines Gewitters unter einem Baum Schutz suchen, getötet, wenn der Baum von einem Blitz getroffen wird. Menschen erleiden oft das gleiche Schicksal, vor allem an Stränden und auf Golfplätzen. Vereinzelte Bäume, die an solchen Stellen stehen, sind ein geeignetes Ziel für den Blitz. Wirst du von einem Gewitter überrascht, so suche nicht unter einem einzelnen Baum Schutz. Befindest du dich im Wald, solltest du dich von großen Bäumen fernhalten. Meide ebenso Drahtzäune, Pipelines und Eisenbahnschienen. Du bist in einem Tal sicherer als auf einer Erhebung.

Wohnst du in einem Gebiet, in dem sich häufig Gewitter ereignen, dann versiehst du am besten dein Haus mit einem Blitzableiter. Damit sie wirksam sind, müssen sie gut geerdet sein. Über spitze Stäbe, die durch ein sehr starkes Kabel (vom Gebäude isoliert) mit einem sorgfältig vergrabenen Metallband oder einer Metallplatte verbunden sind, wird der Blitz in den Boden geleitet, ohne Schaden anzurichten. Fernsehantennen und Starkstromleitungen, die zum Haus führen, kann man ebenfalls durch Blitzableiter schützen.

Falls du dich während eines Gewitters in einem Auto oder in einem Zug aufhältst, brauchst du dir keine Sorgen zu machen. Durch die Metallkarosserie, von der du umgeben bist, wird der elektrische Strom verteilt und zum Boden abgeleitet. Ähnlich sind auch Flugzeugpassagiere vor einem Blitz geschützt. Flugzeuge werden nicht selten vom Blitz getroffen, und manchmal bleiben in der „Blechhaut“ kleine Löcher zurück, doch ist noch kein Fall bekanntgeworden, daß ein Flugzeugunglück direkt durch Blitzschlag verursacht worden wäre. Natürlich stellen die heftigen Windströmungen, die durch Gewitter entstehen, eine Gefahr dar, die der Pilot vorsichtshalber umgeht.

Ergreifst du diese Vorsichtsmaßnahmen, wirst du beim nächsten Gewitter, das über deinem Wohngebiet niedergeht, dich entspannen können und dieses großartige Schauspiel genießen, das Ausdruck der Macht unseres Schöpfers ist. Außerdem wird dadurch, daß du etwas über die Entstehung des Blitzes weißt, deine Wertschätzung für diese furchteinflößende Naturgewalt gesteigert.

[Übersicht auf Seite 21]

Ein „typischer Blitz“

Länge: 5 Kilometer

Anzahl der Entladungen: 3 oder 4

Höchste Stromstärke: 20 000 Ampere

Spannung: 100 000 000 Volt

Höchste Energie: 2 000 000 000 Kilowatt

Dauer: 1/5 Sekunde

[Diagramm auf Seite 20]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

ERDATMOSPHÄRE, ELEKTRISCHER KREISLAUF

ELEKTRONENKREISLAUF

STARK POSITIV (ELEKTRONENMANGEL)

STARK NEGATIV (ELEKTRONENÜBERSCHUSS)

BLITZ

SCHÖNWETTERIONENFLUSS

LEICHT POSITIV (ELEKTRONEN DURCH WOLKE VERDRÄNGT)

LEICHT NEGATIV (ELEKTRONENÜBERSCHUSS)