Erscheinungen bei Gewittern - Blitz und Donner

Allmählich endet die derzeitige Hitzewelle, denn Ausläufer des am
Freitag, 14.08.2015, mit seinem Kern über der Nordsee liegenden
Tiefdruckgebietes EBERHARD sorgen für Niederschläge und führen von
Westen her frische Meeresluft nach Zentraleuropa. Am Sonntag werden
in Deutschland wohl keine 30 °C mehr erreicht werden, so dass wir bei
angenehm kühleren Temperaturen endlich wieder durchatmen können. Wie
so oft im Sommer sind derartige Luftmassenwechsel mit teils kräftigen
Gewittern verbunden.

Man unterscheidet Wärmegewitter, die durch Labilisierung ausreichend
feuchter Luft infolge kräftiger Sonneneinstrahlung und anschließender
massiver Konvektion entstehen, von Frontgewittern, bei denen Hebungs-
oder Umlagerungsprozesse meist im Bereich von Kaltfronten ursächlich
sind. Im ersten Falle steigt in Erdbodennähe sonnenerhitzte Luft
rasch in darüber liegende, kältere Luftschichten bis in große Höhen
auf, im zweiten Falle schiebt sich Kaltluft unter die wärmere Luft
und zwingt diese zum raschen Aufsteigen. In jedem Falle entstehen
Gewitterwolken, im Meteorologenjargon "Cumulonimben" genannt.

Wie auch immer, Gewitter werden stets von Blitz und Donner begleitet.
Blitze entstehen in sich hoch auftürmenden Gewitterwolken infolge
Ladungstrennung durch Reibung von Wolkenpartikeln. Jedoch sind die
zugrunde liegenden physikalischen Prozesse bis heute nicht
vollständig geklärt. Aufgrund mechanischer Wechselwirkung laden sich
bei Temperaturen < -15 °C innerhalb einer Gewitterwolke Graupelkörner
negativ auf, Eiskristalle hingegen positiv. Bei höheren Temperaturen
erfolgt die Aufladung beider Arten von Wolkenpartikeln mit jeweils
umgekehrten Vorzeichen.

In Abhängigkeit vom vertikalen Temperaturverlauf innerhalb der
Gewitterwolke bildet sich eine sandwichartige Ladungsstruktur,
positiv bzw. negativ geladene Wolkenschichten folgen aufeinander.
Allerdings sind die in Gewitterwolken gemessenen elektrischen
Feldstärken zu gering, als dass die Luft ionisiert würde und sich die
Ladungsunterschiede spontan in Form von Blitzen entladen könnten.

Einige amerikanische Physiker vertreten die Theorie, dass in der die
Erde erreichenden kosmischen Höhenstrahlung sog. schnelle Elektronen
vorkommen, welche in der Lage sind, Luftmoleküle zu ionisieren.
Ionisierte Luft verliert ihre isolierenden Eigenschaften, wird Strom
leitend und die elektrische Entladung kann erfolgen.

Dabei bildet sich zunächst ein Blitzkanal aus ionisierter Luft
(Plasma), in der ein negativ geladener Leitblitz sich mit ca. einem
Drittel der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Vom positiv geladenen
Gegenpol (Erdboden oder Wolke) eilt ihm eine entsprechende
Fangentladung entgegen. Nun können sich die Potentialunterschiede mit
aller Macht ausgleichen - negative Ladungen strömen zum Erdboden bzw.
zu positiv geladenen Regionen der Wolke und umgekehrt - es blitzt.

Die plötzliche und starke Erhitzung der Luft im Blitzkanal (in
Sekundenbruchteilen auf einige zehntausend Grad) infolge des hohen
Stromflusses bewirkt ihre explosionsartige Ausdehnung. Der damit
einher gehende Druckanstieg erregt eine Schockwelle, die sich in der
unmittelbaren Umgebung des Blitzes als scharfer Knall
("Donnerschlag") bemerkbar macht. Verschiedene Laufzeiten von
unterschiedlichen Punkten des Blitzkanals verursachen das
"Donnerrollen" durch Überlagerung der Schallwellen.

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