Blitze

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Das Naturphänomen Blitz

Als Blitz wird allgemein eine sehr helle, kurzfristige Lichterscheinung (Lichtblitz) bezeichnet, die unter anderem durch Geräte oder elektrostatische Entladungen hervorgerufen werden kann.

Meist spricht man jedoch von Blitzen in Bezug auf elektrostatische Entladung in Wolken beziehungsweise zwischen den Wolken und der Erde, ausgelöst durch das Phänomen Gewitter. Blitz 2 - zum vergrössern bitte anklicken

 

Etymologie und Mythologie

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). 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 ... Blitz 1 - zum vergrössern bitte anklicken

 

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. Es handelt sich dabei um Raumladungen, d. h. dass ein Gebiet mit positiver Ladung sowohl positive wie 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 normalerweise in einer Höhe statt, wo die Temperatur zwischen -10°C und -15°C beträgt. Blitzanimation - zum vergrössern bitte anklicken

 

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. Daneben werden oft positive Ladungen in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen. Wenn der Spannungsunterschied zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß wird, kann es zu einem Blitz kommen. Blitz 3 - zum vergrössern bitte anklicken

 

Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke

Ein Blitz ist ein Spannungsausgleich innerhalb der Wolke (Wolkenblitz) oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke (Erdblitz). Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied einige 10 Millionen Volt betragen. In feuchter Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer Feldstärke von ca. 1 Million Volt pro Meter. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen. Die Luft muss zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.

 

Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation

Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Dadurch wird ein Blitzkanal geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stossionisation gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar Richtung Erdboden gerichtet, variieren aber alle paar Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Linienblitzes zu Stande. Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen geht vom Boden eine Fangentladung aus, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meist bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Masten oder Kirchtürmen) aus, welche sich 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 von uns als Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten des Blitzes wird durch Plasma verursacht.

 

Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen

Im Durchschnitt bilden 4-5 Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0.01 s, 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 zu Stande, welches man mit bloßem Auge erkennen kann. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20000 Ampere. Bei den Vorladungen wird der Erdoberfläche meist negative Ladung zugeführt und bei den Hauptentladungen wird der Atmosphäre meist 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. Meist handelt es sich hierbei um eine besonders intensive Entladung.

 

Länge eines Blitzes

Die durchschnittliche Länge eines Erdblitzes beträgt in mittleren Breiten 1-2 km, in den Tropen 2-3 km. Ein Wolkenblitz ist ca. 5 bis 7 Kilometer lang, es wurden aber mittels Blitzradar auch schon Längen (in Wolken) von 140 km bestimmt.

 

Entstehung des Donners

Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30'000°C erhitzt. 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 330 m/s aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zu Stande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem gedehnteren und weniger scharf polternden Schall begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.

 

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.

 

Flächenblitz

Ein Flächenblitz zeigt zahlreiche Verzweigungen vom Hauptblitzkanal. Flächenblitz - zum vergrössern bitte anklicken

 

Perlschnurblitz

Der Perlschnurblitz ist eine Blitzart, bei der der Blitz nicht durch einen zusammenhängenden Blitzkanal gekennzeichnet ist, sondern in einzelne, meist nur wenige Meter lange Segmente zerfällt. Diese einzelnen Segmente leuchten heller und meist 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

Die Existenz des (meist als etwa fußballgroße Erscheinung beschriebenen) Kugelblitzes ist eine heute noch umstrittene Frage, obwohl es durchaus Fotos gibt. Die nur selten berichteten Phänomene können angeblich durch Mauern dringen und sich langsam in Bodennähe bewegen. Künstliche Kugelblitze sollen in einigen Laboren schon erzeugt worden sein.

 

Wetterleuchten

Unter Wetterleuchten (mittelhochdt. leichten, nicht verwandt mit leuchten, wie oft angenommen) wird meist 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 mehr deutlich.

 

Häufigkeit von Blitzen

Weltweit gibt es jederzeit 2.000 bis 3.000 Gewitter, was auf der gesamten Erde täglich 10 bis 30 Millionen Blitze ergibt. 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° Celsius erzeugen.

In der Bundesrepublik Deutschland gab es 2003 über 2 Millionen Blitze. In Österreich schwankt die seit 1992 registrierte Zahl zwischen 104.000 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 unter 1 Blitz pro km² jährlich, in Österreich und Norditalien bei 1 - 2, in Slowenien bei 3. Fast überall gibt es kleinere Bereiche, die 2 - 3 mal höher liegen (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, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen. Besonders häufig kommen Blitze in Durban in Südafrika vor.

 

Blitzschäden

Blitze richten in der Bundesrepublik jährlich Schäden in Höhe von mehreren Millionen Euro an. 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. Die am Markt angebotenen Schutzvorrichtungen für PCs sind jedoch nicht immer wirksam. Dies liegt auch daran, dass eine Schädigung durch die von Blitzen verursachten extrem hohen Feldstärken in ihrer Nähe verursacht werden kann und deshalb Schutzvorrichtungen wirkungslos bleiben.

Während eines Gewitters ist man im Freien - vor allem auf erhöhten Standpunkten - der Gefahr des Blitzschlags ausgesetzt. Am sichersten ist man in einem Haus. In Autos soll man auch sicher sein, da diese wie ein Faradayscher Käfig funktionieren und den Blitz außen ableiten sollen. Je nach Beschaffenheit der Außenhaut des Fahrzeugs (Kunststoff) kann dies jedoch nicht immer zutreffen; es gibt in der Literatur Hinweise, dass es zu Personenschäden in Fahrzeugen gekommen sein soll.

Tödlicher Blitzschlag ist in der BRD selten geworden, und die durchschnittlich 3 bis 7 Todesopfer pro Jahr 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 Faradaysche Käfige (Autos, Traktoren, Mähdrescher...) zurückziehen konnten. Im Jahr 2002 starben in Deutschland drei Menschen an einem Blitzschlag

Beim Einschlag eines Blitzes kann eine elektrische Spannung von mehr als 100 Millionen Volt zwischen Wolken und Erde vorliegen, beim Blitzschlag fließt ein Strom von etwa 20.000 bis 200.000 Ampere. Derartige Spannungsunterschiede bauen sich durch Reibungsvorgänge zwischen Eiskristallen in Gewitterwolken auf.

Die Temperatur am Einschlagpunkt, wo bei Metallen ein kleines Loch geschmolzen wird, kann bis über 30.000° Celsius betragen.

Ein besonders spektakulärer Blitzschaden ereignete sich 1970 in Orlunda, Schweden. Damals zerstörte ein Blitzschlag den Fußpunktisolator des 250 Meter hohen Zentralmast des Langwellensenders und brachte diesen hierdurch zum Einsturz.

 

Verhalten bei Gewittern

Wenn man vom Gewitter überrascht wird, möchte man meistens zweierlei erreichen, nicht nass zu werden, und was noch viel wichtiger ist, vom Blitz verschont zu bleiben. Für das Erste nimmt man am Besten regendichte Kleidung.

Um nicht vom Blitz getroffen zu werden gilt es zwei Dinge zu beachten:

 

Nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden

 

Dazu gehört:

 Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen zu suchen

auf offenem Gelände möglichst klein machen um kein direktes Ziel darzustellen.

 

Nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein

 

Dazu gehört:

Die unmittelbare Nähe von Holzmasten meiden.

Abstand von Bäumen halten, wegen Sekundärblitzgefahr und möglicherweise umhergeschleuderten Holz- und Rindenteilen

Hinkauern, Nicht hinlegen, Kontaktbereich zum Boden minimieren, beim Hocken Arme am Körper lassen, Kopf einziehen. Dies wird durch Gummisohlen (oder anderes isolierendes Material) unterstützt

Enge Mulden und Höhleneingänge meiden, besser auf ebenes Terrain stellen, oder tiefer in die Höhle gehen, der Blitz verteilt sich größtenteils an der Oberfläche und kann in Höhlen der Wandkrümmung oft nicht folgen und Überspringt den Eingang als Sekundärblitz, analog mit Bodenmulden.

 

Oft falsch verstanden und lebensgefährlich ist ein altes Sprichwort: Vor Eichen sollst du weichen, Buchen sollst du suchen. Der Ursprung dieses Sprichworts könnte darin liegen, dass Buchen eine glatte und Eichen eine zerklüftete Rinde besitzen. Dadurch wird bei Regen der Blitz an der durchgängig feuchten Rinde der Buche besser an der Außenseite in den Boden geleitet, als bei der durch ihre tiefen Furchen nicht durchgängig feuchten Eichenrinde. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit bei Buchen geringer als bei Eichen, dass der Baumstamm beim Blitzeinschlag im unteren Teil explodiert und den Schutzsuchenden verletzt. Das Risiko durch Bäume ist außerdem dadurch gegeben, dass der Blitz zwar oben in den Baum einschlägt, aber weiter unten wieder heraus kommt und dann in den dort schutzsuchenden Menschen einschlägt. Ein weiterer Grund liegt im unterschiedlichen Wurzelaufbau der Bäume. Die lange Pfahlwurzel der Eiche, die oft bis ins Grundwasser ragt, lässt den Baum häufiger zum Blitzopfer werden als die flachere Herzwurzel der Buche. Bei einer Buche hinterlässt ein Blitzeinschlag typischerweise einen senkrechten, einige Zentimeter breiten, etwas spiralförmigen Schnitt in der Borke. Bei einem Gewitter die nächstgelegene Buche zu suchen, ist allerdings ein gefährlicher Fehler - auch in Buchen schlagen Blitze ein..

Richtig ist, alle Bäume, hohe Holzmasten und Gewässer bei einem Gewitter zu meiden. Kammlagen und hohe Bäume sollten – auch im Wald – gemieden werden und nur dann, wenn man sich tief im Wald befindet, gilt das oben erwähnte Sprichwort.

Sich in eine Mulde oder in eine Höhle zu ducken kann zwar das Risiko minimieren direkt vom Blitz getroffen zu werden, aber es ist unbedingt zu beachten, dass insbesondere in engeren Mulden und in Höhleneingängen das Risiko von einem Blitzeinschlag betroffen zu werden trotzdem höher sein kann, als auf offenem Terrain, da bei einem Blitzeinschlag in der Nähe die sich verteilende Elektrische Ladung nicht der Krümmung des Bodens bzw. Höhlenwand folgt, sondern die "Lücke" direkt als Sekundärblitz überspringt, der dann in dort befindliche Menschen einschlagen kann.

Es wird empfohlen, auf Zehenspitzen (ohne Abstützen durch Hände auf dem Boden oder an Dingen in der Nähe) in die Hocke zu gehen und den Kopf einzuziehen. Halten sie sich dabei von allem fern, was Kontakt mit dem Boden hat und den Strom leiten kann, z.B. Regenpfützen oder Pfähle.

Hinlegen oder breitbeiniges Hinstellen erhöhen das Risiko bei einem indirekten Blitzeinschlag von dem sich im Boden ausbreitenden Blitz als "Ladungsverteiler" genutzt zu werden, da der menschliche Körper den elektrischen Strom aufgrund des Salzgehalts besser leitet als der Boden, auch wenn dieser nass ist.

Gegen einen direkten Blitzschlag können aber auch mehrere Zentimeter dicke Gummisohlen nicht schützen.

 

Baurecht und Blitzschutz

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.

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.

 

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