Blitze sind elektrische Entladungen, die zu einem Ladungstransport zwischen Bereichen unterschiedlicher Raumladung innerhalb der Wolke, zwischen zwei Wolken (Wolken-Wolken-Blitze) oder zwischen Wolke und der Erdoberfläche (Wolke-Boden-Blitze) führen. Die meisten Blitze – ungefähr 90 Prozent – sind Wolken-Wolken-Blitze. Das heißt, es findet kein Ladungsaustausch zum Erdboden statt. Insgesamt gibt es in Deutschland pro Jahr rund 1 bis 2 Millionen Blitze. Die durchschnittliche Blitzdichte liegt bei 2,6 Blitzen pro km2 und Jahr. Weltweit sind durchschnittlich 3.000 Blitze gleichzeitig zu beobachten.
Blitze sind an sich keine meteorologischen Extremereignisse, da sie sehr häufig auftreten. Allerdings können durch Blitzeinschläge erhebliche Sachschäden aufgrund von Überspannungen, Bränden oder Waldbränden entstehen. Da die Prozesse der Ladungstrennung und der Entladung innerhalb von Cumulonimbuswolken noch nicht vollständig verstanden sind, gibt es verschiedene Ansätze für deren Erklärung.
Ladungstrennung in einer Gewitterwolke
Die Blitzaktivität in einem Gewittersystem hängt im Wesentlichen von der Wolkenmikrophysik und der Dynamik in einer Wolke ab. Generell werden die Ladungstrennungsprozesse in Gewitterwolken durch Hydrometeore in unterschiedlichen Phasen und unterschiedlichen Tropfengrößen über Stoß-, Gefrier-, Schmelzprozesse und Koaleszenz (Zusammenfließen) hervorgerufen (Williams et al. 1991). Kleine Eispartikel sind aufgrund der verschiedenen Stoßprozesse in der Regel positiv geladen, während größere Hydrometeore wie Graupel negativ geladen sind (Saunders et al. 2006). Erstere werden im Aufwindbereich in den oberen Teil der Wolke transportiert, während letztere aufgrund ihrer Masse entgegen dem Aufwind in den unteren Teil der Wolke gelangen.
Des Weiteren bewirkt ein starker Aufwind eine erhöhte Stoßrate zwischen den Teilchen untereinander. Dadurch kommt es zu einem erhöhten Ladungsaustausch zwischen den Teilchen und zu einem schnelleren Spannungsaufbau (Price, 2013). Auf diese Weise entstehen Bereiche sowohl mit positiver als auch mit negativer Raumladung. Wird anschließend ein bestimmter Schwellenwert überschritten, kommt es zum Ladungsaustausch bzw. zu einem Blitz. Ungefähr in der Höhe von 6 km bei einer Temperatur von etwa –15°C existiert eine starke negative Raumladung. Entladungen oberhalb dieser Grenze sind meist Wolken-Wolken-Blitze, unterhalb dieser Grenze Wolke-Boden-Blitze.
Blitzentladung
Ist die Ladungsdifferenz groß genug, finden zunächst sogenannte Vorentladungen statt. Dabei entsteht durch Stoßionisation der Luftmoleküle der Leitblitz, der auch oft als Blitzkanal bezeichnet wird. Im Fall eines Blitzes zwischen Wolke und Erdboden dehnt sich der Blitzkanal von der Wolke bis in eine Höhe von ungefähr 50 m über Grund aus. Vom Boden her bildet sich dann eine sogenannte Fangentladung, die sich mit dem schon vorhandenen Blitzkanal vereinigt.
Der Blitzkanal reicht durchgängig von der Wolke bis zur Erde und kann sich dabei auch verästeln. Durch diesen Blitzkanal erfolgt nun die Hauptentladung, die als Blitz zu sehen ist (siehe Videolink am Ende des Artikels). Dieser Hauptblitz hat eine sehr hohe Temperatur von ca. 30.000°C und im Durchschnitt eine Stromstärke von 20.000 Ampere. Oft folgen mehrere Hauptentladungen im selben Blitzkanal, was das oft beobachtete „Flackern“ eines Blitzes erklärt. Die zeitliche Dauer des gesamten Vorgangs beträgt ungefähr 200 Millisekunden (ms), wobei der Aufbau des Blitzkanals ca. 10 ms, eine einzelne Hauptentladung etwa 4 ms dauert (Krider, 1986).
Blitzdichteverteilung
Analysen, die auf den Blitzdaten des Blitzinformationsdienstes der Firma Siemens AG (BLIDS) basieren, zeigen eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität der mittleren jährlichen Blitzdichten (siehe Abb. 1). BLIDS ist Mitglied in dem zentraleuropäischen Messnetzwerkverbund EUCLID (EUropean Cooperation for LIghtning Detection), dass Gewitterblitze auf bis zu 200 m genau geortet kann. In Deutschland ist die Blitzanzahl im Südwesten, am Alpenrand bzw. über den Alpen sowie über dem Erzgebirge am höchsten. Im Norden dagegen treten nur sehr wenige Blitze und damit auch weniger Gewitterereignisse auf. Ein deutlicher Nord-Süd-Gradient der Gewitteraktivität ist zu erkennen.
Einfluss auf die Ozonbildung
Blitzentladungen haben ebenfalls einen Einfluss auf die globale Ozonbildung. Nach einem Blitz werden Stickoxide (NOx) freigesetzt, die in der oberen Troposphäre Ozon produzieren. Zusätzlich können die starken Aufwinde in einem Gewittersystem die Emissionen vom Boden (z.B. Auto-Abgase) nach oben transportieren (Sogwirkung). Vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführte Messungen zeigen dass Gewitterereignisse etwa fünf Mal so viel Stickoxide wie der globale Luftverkehr produzieren und somit etwa 10 Prozent der Stickoxid-Quellen in der oberen Troposphäre ausmachen (Huntrieser, 2012).
Text: Dr. Susanna Mohr, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Referenzen
Huntrieser, H., Höller, H. & Grewe, V. (2012). Thunderstorms: Trace species generators. In U. Schumann (Hrsg.), Atmospheric Physics. Research Topics in Aerospace (S. 115-133). Berlin, Heidelberg: Springer. doi:10.1007/978-3-642-30183-4_8
Krider, E. P. (1986). Physics of Lightning. In National Research Council (Hrsg.), The Earth Electrical Environment (Studies in Geophysics) (S. 30-40). Washington, D.C.: National Academic Press. doi:10.17226/898
Price, C. G. (2013). Lightning applications in weather and climate research. Surveys in Geophysics, 34, 755-767. doi:10.1007/s10712-012-9218-7
Saunders, C. P. R., Bax-Norman, H., Emersic, C., Avila, E. E. & Castellano, E. (2006). Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal charge transfer in thunderstorm electrification. Quartely Journal of the Royal Meteorological Society, 132(621), 2653-2673. doi:10.1256/qj.05.218
Weiterführende Informationen
Zeitlupenaufnahme einer Blitzentladung: „Awesome Slow-motion lightning“
