Wissenswert: Wie entsteht ein Blitz?

Foto: flickr.com/Karen Roe, Rafael Robles L, Lars Kasper, NASA Goddard Photo and Video; Montage: Marc Patzwald, Teaserfoto: flickr.com/poniblog

Irgendwo zwischen Angst und Faszination beobachten Menschen seit jeher die Blitze, die beim Gewitter mit enormer Geschwindigkeit auf die Erde zurasen und den Himmel für Sekundenbruchteile erleuchten. Weil sich die Menschen früher dieses Naturphänomen noch nicht erklären konnten, machten sie die Götter dafür verantwortlich: Bei den Griechen galt Zeus als der Herr der Blitze, die er auf Ungläubige und Dämonen geschleudert haben soll. In der germanischen Mythologie wurden Blitz und Donner Thor und seinem Hammer Mjöllnir zugeschrieben. Und unter den Römern galt Jupiter als Herrscher des Himmels, der die Blitze als Waffen benutzt haben soll.

Blitze lassen es gewaltig krachen: Bis zu zehn Milliarden Joule setzen sie in einer Drittelsekunde frei. Foto: pixelio.de/Falk Blumel Teaserfoto: flickr.com/paddl

Heute sind die Legenden in Vergessenheit geraten, denn mittlerweile haben Wissenschaftler eine Vorstellung davon, was wirklich hinter dem gewaltigen Naturphänomen steckt. Die Erklärung liegt in der Physik der elektrischen Ladungen. Normalerweise befinden sich Atome im neutralen Zustand – die positiv geladenen Protonen im Atomkern und die negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle gleichen sich aus.

Tanz der Wolkenteilchen

Zieht aber ein Gewitter auf, kommt es zur Ladungstrennung: Warme Luftmassen strömen nach oben und kühlen sich beim Aufstieg wieder ab. Dabei kondensieren sie – eine Wolke entsteht. Innerhalb der Wolke spielt sich nun Folgendes ab: Leichte Wassertropfen und Eiskristalle werden vom Aufwind weiter nach oben getragen. Die schweren Graupelteilchen hingegen fallen in den unteren Teil der Wolke.

Dabei reiben die Teilchen aneinander und tauschen Ladung in Form von Elektronen aus. Die Eiskristalle verlieren dabei Elektronen und sind deshalb positiv geladen und die Graupelteilchen nehmen Elektronen auf und werden negativ geladen. Innerhalb der Wolke entsteht so eine elektrische Spannung, denn gleiche Ladungen stoßen sich ab und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Dasselbe passiert, wenn man sich einen Strickpullover über den Kopf zieht: Durch die Reibung zwischen Pulli und Haaren werden Elektronen ausgetauscht. Die gleichartig geladenen Haare stoßen sich ab – und stehen zu Berge.

Die Elektronenlawine rollt an

Blitze sind nicht ungefährlich: So kann ein Baum nach einem Blitzeinschlag aussehen. Foto: pixelio.de/Dorothea Jacob

Wenn die elektrische Spannung in der Wolke zu groß wird, entlädt sie sich über die Luft: Die negativ geladenen Teilchen im unteren Teil der Wolke werden von den positiv geladenen Teilchen in der Erde so stark angezogen, dass sie beschleunigt werden und dabei mit anderen Atomen zusammenstoßen. Dabei werden weitere Elektronen herausgeschlagen und beschleunigt. Daraus folgt eine Elektronenlawine, die in Sekundenbruchteilen zur Erde rast und einen zentimeterdünnen Plasmaschlauch hinter sich herzieht – der sogenannte Leitblitz.

Der Leitblitz bestimmt aber nur den Weg zur Erde. Was man schließlich als Leuchten am Himmel wahrnimmt, ist der Hauptblitz, durch den die eigentliche Ladung erfolgt. Dabei erhitzt ein Stromfluss den Plasmaschlauch auf bis zu 30.000 Grad Celsius – durch die Hitze leuchtet der Schlauch grell auf. Dieses Aufleuchten ist es, was wir beim Gewitter als zuckenden Blitz wahrnehmen.

Energie für einen Zweipersonenhaushalt

Die Elektronenlawinen sind übrigens keine Eigenart der Erde, denn auch auf anderen Planeten blitzt es: Auf dem Saturn zum Beispiel erreichen die elektrischen Funken eine 10.000-mal höhere Energie als auf der Erde. Dabei sind bereits unsere Blitze enorme Energietransporteure: Bis zu zehn Milliarden Joule setzen sie innerhalb einer Drittelsekunde frei. Mit so viel Energie könnte ein Zweipersonenhaushalt etwa ein Jahr lang auskommen.

Auch im Alltag entstehen manchmal Mini-Blitze: Schlurft man mit den Schuhen über einen Teppich, lädt sich der Körper über diese Reibung auf und eine elektrische Spannung entsteht. Fasst man dann an eine Türklinke, folgt die Entladung – man bekommt einen gewischt.

Bei dem kleinen Schlag, den man an der Türklinke bekommt, erschreckt man sich zwar. Gefährlich ist er aber nicht. Anders sieht das bei echten Blitzen aus. Zieht ein Gewitter auf, sollte man einiges beachten:

Wichtig: Zieht ein Gewitter auf, sollte man die Stecker der elektrischen Geräte ziehen. Foto: pixelio.de/ Alexander Klaus

Von den mittelalterlichen Mythen bis heute haben Wissenschaftler stets versucht, sich ein genaueres Bild über Blitze zu machen. Aber immer noch gibt ihnen das Naturphänomen Rätsel auf. Denn bis heute haben Forscher Schwierigkeiten damit, die hohe Spannung nachzuweisen, die in der Wolke nötig ist, um einen Blitz auszulösen. Blitzforscher vom Florida Institute of Technology setzen daher auf eine neue Theorie: Sie glauben, dass es keine gewöhnlichen freien Elektronen sind, die den Ladungsunterschied ausmachen, sondern spezielle, schnelle Elektronen..

Neues aus der Blitzforschung

Diese Teilchen haben zwei Besonderheiten: Zum einen haben sie eine extrem hohe Geschwindigkeit, sodass ihnen die geringe Ladung ausreicht, die in der Wolke tatsächlich nachgewiesen werden kann. Zum anderen strahlen die schnellen Elektronen auf ihrem Weg Röntgenstrahlen ab. Und diese konnte das Team der US-amerikanischen Blitzforscher tatsächlich in der Nähe von Blitzen messen.