Getriggerte Entladungen

Wenn Blitze aus dem Boden schießen

Von Horst Rademacher
23.04.2021
, 15:30
Ein Gewitter mit Donner und Blitzen ist ein faszinierendes Schauspiel.
Der größte Teil der Gewitterblitze schießt aus den Wolken zum Erdboden. In seltenen Fällen formen sich Entladungen auch in entgegengesetzte Richtung. Wie es zu diesem seltsamen Phänomen kommt, erklären nun Schweizer Forscher.
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Blitze sind in vielen Teilen der Welt, vor allem in den Tropen, allgegenwärtig. Im jährlichen Durchschnitt gibt es weltweit etwa 46 Blitze pro Sekunde, im Sommer auf der Nordhalbkugel steigt Rate sogar auf 60 Blitze pro Sekunde. Deutschland spielt in dieser Statistik nur eine untergeordnete Rolle, denn selbst in gewitterreichen Jahren blitzt es hierzulande statistisch betrachtet nur einmal alle 30 Sekunden. Außerdem hat die Zahl der Blitzeinschläge in Deutschland in den vergangenen 15 Jahren deutlich abgenommen.

Gab es im Jahre 2007 hierzulande noch mehr als eine Million Blitzeinschläge, sank ihre Zahl im Jahre 2019 auf 330.000. Statistisch verging also vor zwei Jahren zwischen zwei Blitzeinschlägen in unserem Land mehr als eine Minute. Doch trotz der weltweiten Häufigkeit von Blitzen sind immer noch viele Fragen zu deren Entstehung offen. Eine Forschergruppe aus der Schweiz hat nun Erklärungen für eine besondere Art von Blitzen gefunden, nämlich jene spektakulären elektrischen Entladungen, die vom Boden aus in die Wolken schießen.

Ein Gewitter über Armeniens Haupstadt Eriwan. Der Blitz scheint dem Fernsehturm zu entspringen.
Ein Gewitter über Armeniens Haupstadt Eriwan. Der Blitz scheint dem Fernsehturm zu entspringen. Bild: dpa

Unter normalen Umständen sollte es eigentlich keine Blitze geben, denn trockene Luft ist ein guter elektrischer Isolator. In dem Durcheinander von Wassertropfen und Hagelkörnern in Gewittern kommt es allerdings zur Trennung elektrischer Ladungen. Im oberen Teil einer Gewitterwolke gibt es mehr positiv geladene Eiskristalle und im unteren Teil negativ geladene Wassertropfen. Zwischen diesen beiden Teilen können dann elektrische Spannungen von mehreren zehntausend Volt entstehen. Wenn sich diese entgegengesetzten Ladungen ausgleichen, kommt es vor allem in der leitfähigen feuchten Luft einer Gewitterwolke zu Blitzen. Die meisten Blitze gibt es deshalb innerhalb einer Wolke. Dort können die hohen elektrischen Ströme keinen Schaden anrichten.

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Berechnungen lösen das Rätsel

In stärkeren Gewittern gibt es aber auch eine Ladungsdifferenz zwischen dem negativ geladenen unteren Teil einer Wolke und dem positiv geladenen Erdboden. Ist die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre groß genug, kann es Entladungen zwischen der Wolke und dem Erdboden geben. Die Entstehung eines solchen Blitzes ist ein komplexer Vorgang. Zunächst streckt die negative Ladung der Wolke gleichsam ihre Fühler in Richtung Erdboden aus. Aus den Wolken wachsen dabei stufenartig geformte, im Durchmesser nur wenige Zentimeter große Ladungskanäle nach unten. Wenn einer von ihnen dem Erdboden nahe genug kommt, dann „spürt“ der Erdboden die hohe negative Ladungskonzentration, und es wächst ein ähnlicher Ladungskanal vom Boden nach oben. Treffen diese beiden Kanäle aufeinander, kommt es gleichsam zum Kurzschluss, und die Ladungsdifferenz gleicht sich in einem Blitz aus. Dabei kann kurzzeitig ein Strom von mehreren zehntausend Ampere fließen.

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Dieser gesamte Vorgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde. Eine Reihe von Forschergruppen hat diese Blitzentwicklung im Detail mit Hochgeschwidigkeitskameras untersucht. Einige der spektakulärsten Aufnahmen dieser Art stammen von Tom Warner von der School of Mines and Technology in Rapid City im amerikanischen Bundesstaat Süd-Dakota. Er benutzt Kameras, die bis zu 100.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können.

Blitze hinter der Zentrale der Commerzbank in Frankfurt
Blitze hinter der Zentrale der Commerzbank in Frankfurt Bild: dpa

Während etwa 90 Prozent aller Blitzschläge aus den Wolken zum Erdboden reichen, gibt es auch eine geringe Zahl von Entladungen, die in entgegengesetzter Richtung vom Erdboden aus in die Gewitterwolken zielen. Diese sogenannten Aufwärtsblitze kommen selten vor und wurden bisher nur an hervorstehenden Gebäuden wie Fernseh- oder Funktürmen oder an Bergspitzen beobachtet. Forscher um Antonio Sunjerga vom Schweizer Bundesinstitut für Technologie in Lausanne haben nun analysiert, unter welchen physikalischen Umständen es zu solchen Aufwärtsblitzen kommen kann.

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Wie die Forscher im „Journal of Geophysical Research Atmospheres“ schreiben, gehen diesen Blitzen meist andere Wolken-Boden-Blitze voraus. Nach den Berechnungen der Forscher können diese Entladungen die elektrische Feldstärke an der Spitze hoher Gebäude erheblich verstärken. Wird diese groß genug, kommt es zu den Aufwärtsentladungen. Demnach finden die vom Boden nach oben reichenden Blitze also nicht von allein statt. Sie werden vielmehr durch die wesentlich häufigere Art der nach unten reichenden Blitze getriggert. Unabhängig vom Entstehungsmechanismus bestätigen die jüngsten Ergebnisse die alte Regel, dass man sich bei einem Gewitter unter keinen Umständen in der Nähe hoher Strukturen aufhalten sollte.

Quelle: F.A.Z.
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