Entstehung von Gewittern

Voraussetzung für die Entstehung von Gewittern ist, dass warme Luftmassen mit ausreichend hoher Feuchtigkeit in große Höhen transportiert werden. Dieser Transport kann auf drei unterschiedliche Weisen erfolgen:

  1. Bei Wärmegewittern wird der Boden lokal durch intensive Sonneneinstrahlung erhitzt. Die bodennahen Luftschichten erwärmen sich und steigen auf.
  2. Bei Frontgewittern schiebt sich als Folge eines Kalfronteinbruchs kühle Luft unter die warme und drückt diese nach oben.
  3. Bei orographischen Gewitter wird warme, bodennahe Luft durch Überstrümen ansteigenden Geländes angehoben.

Durch weitere physikalische Effekte wird der vertikale Auftrieb der Luftmassen noch verstärkt.
Die aufsteigende Luft kühlt sich ab und erreicht schließlich die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes. Hierbei bilden sich Wassertröpfchen und damit Wolken. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die die Luft wieder erwärmt, leichter macht und somit weiter aufsteigen lässt. An der 0 °C Grenze beginnen die Wassertröpfchen zu gefrieren. Hierbei wird wiederum Gefrierwärme frei, die die Luft abermals erwärmt und auftreibt.
Es bilden sich Aufwindschläuche mit Vertikalgeschwindigkeiten bis etwa 100 km/h, die mächtige aufgetürmte, ambossförmige Quellwolken von typisch 5 bis 12 km Höhe und 5 bis 10 km Durchmesser erzeugen.
Durch elektrostatische Ladungstrennungsprozesse, z.B. Reibung und Zersprühen, werden die Wassertröpfchen und Eispartikel in der Wolke aufgeladen. Die positiv geladenen Teilchen sind üblicherweise leichter als die negativ geladenen, d.h., ihre Angriffsfläche für den Aufwind ist relativ groß bei relativ geringem Gewicht. Somit kann die vertikale Luftströmung eine großflächige Ladungstrennung bewirken: Im oberen Teil der Gewitterwolke werden Partikel mit positiver Ladung (vorzugsweise Eispartikel) im unteren Teil Partikel mit negativer Ladung (vorzugsweise Wassertropfen) angehäuft. An Fuß der Wolke finden sich nochmals ein kleines positives Ladungszentrum, das wahrscheinlich aus der positiven Koronaladung entsteht, die von Spitzen am Boden, z.B. an Pflanzen, unter der Gewitterwolke infolge des hohen elektrischen Bodenfeldes abgesprüht und durch den

Aus elektrophsikalischer Sicht ist ein Gewitter also ein gigantischer elektrostatischer Generator mit Wassertröpfchen und Eispartikeln als Ladungsträger, mit dem Aufwind als Ladungstransportmittel und der Sonne als Energielieferant, die durch Wärmestrahlung erdnahe Luftschichten aufheizt und durch Verdunsten von Wasser für Feuchtigkeit sorgt.

Die Wolkenkonfiguration eines Gewitters beinhaltet in der Regel mehrerer Gewitterzellen von einigen Kilometern Durchmesser, wobei jede Zelle nur etwa 30 Minuten aktiv ist und hierbei in Mittel 2 bis 4 Blitze je Minute erzeugt.

Blitztypen

Die lokalen Raumladungsdichten in einer Gewitterzelle weisen große Unterschiede auf. Wenn infolge einer zufällig vorhandenen Raumladungskonzentration die örtliche Feldstärke Werte von einigen 100kV/m erreicht, können, von Regentröpfchen oder Eispartikeln ausgehend, so genannte „leader“-Entladungen bzw Leitblitze entstehen, die eine Blitzfunkenentladung einleten. Wolke-Wolke-Blitze führen einen Ausgleichzwischen positiven und negativen Wolkenladungszentren herbei. Wolken-Erde-Blitze (Abwärtsblitze) neutralisieren Wolkenladungen und die auf der Erdoberfläche influenzierten Ladungen.
Die Wolke-Erde-Blitze sind an den zur Erde gerichteten Verästelungen der Leitblitze erkennbar. Am häufigsten treten negative Wolken-Erde-Blitze auf, bei denen sich von der Gewitterwolke ein mit negativer Wolkenentladung gefüllter Ladungskanal zur Erde vorschiebt. Der Leitblitz hat eine Vorwachsgeschwindigkeit von 300 km/s. Wenn sich der Leitblitz der Erde auf einige 10 bis 100 m genähert hat, erhöht sich beispielsweise an den dem Leitblitzkopf nahe gelegenen Spitzen von Bäumen oder Giebeln von Gebäuden die elektrische Feldstärke so stark, dass schließlich die elektrische Festigkeit der Luft überschritten wird und von dort auch nun ebenfalls eine dem Leitblitz ähnliche, einige 10 bis einige 100 m lange sogenannte Fangentladung ausbricht, die dem Leitblitz entgegenwächst und schließlich mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft. Hier weist das traditionelle System und das aktive System Unterschiede auf, da das aktive System einen viel längere Fangentladung erzeugt und somit dem Blitz früher fängt und sicher ableitet.
Durch den Leitblitz geschaffene Funkenkanal geht der Hauptblitz welcher Temperaturen von bis zu 10 000 °C erreichen kann. Der Donner entsteht durch die Explosion des Funkenkanals infolge seines Überdrucks.
Von Bergspitzen und hohen Objekten wie z.B. Fernsehtürmen, Kaminen und Windkraftanlagen können auch Erd-Wolke-Blitze (Aufwärtsblitze) mit zur Wolke gerichteten Verästelungen ausgehen.
Hierbei wächst von der Erde ein Leitblitz zur Wolke vor.

Für die getroffenen Objekte stellen die Wolke-Erde-Blitze eine härtere Beanspruchung dar als die Erde-Wolke-Blitze. Deshalb werden für die Bemessung von Blitzschutzmaßnahmen Wolke-Erde-Blitzen  herangezogen. Für die Gefährdung von elektrischen und elektronischen Anlagen fliegender Objekte sind auch die Wolke-Wolke-Blitze wegen ihrer abgestrahlten elektromagnetischen Impulsfelder (LEMPs) zu berücksichtigen.

Häufigkeit von Blitzen

Weltweit gibt es andauernd 2000 bis 3000 Gewitter, was auf der gesamten Erde täglich 10 bis 30 Millionen Blitze ergibt. Das sind über 100 Blitze innerhalb einer Sekunde. Doch nur 10% aller Blitze schlagen in den Boden ein. Am Ort des Einschlags können sie Temperaturen von mehreren 1000° C erzeugen.

Schäden durch Blitze

Durch Blitzeinschlag können elektrische Geräte und Computer beschädigt werden, sowie Haus- und Waldbrände entstehen. Zum Schutz werden viele Gebäude mit Blitzableitern versehen, die aber von den Versicherungsgesellschaften nicht ausdrücklich verlangt werden. Ihre Wirksamkeit hängt vor allem von der fachgemäßen Erdung ab.

 

Quelle: Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Auflage 2005

Weitere Informationen zum Thema Blitzschutz finden Sie hier:

http://de.wikipedia.org/wiki/Blitzschutz