Donner und Blitz. Was die Naturgewalten angeht, hat kaum etwas anderes so viel Angst, Ehrfurcht oder Faszination ausgelöst – ganz zu schweigen von Legenden, Mythen und religiösen Darstellungen. Wie bei allen Dingen in der natürlichen Welt wurde das, was ursprünglich als Handlung der Götter (oder andere übernatürliche Ursachen) angesehen wurde, inzwischen als natürliches Phänomen anerkannt.
Aber trotz allem, was die Menschen im Laufe der Jahrhunderte gelernt haben, bleibt ein gewisses Geheimnis, wenn es um Blitze geht. Experimente wurden seit der Zeit von Benjamin Franklin durchgeführt; Wir sind jedoch immer noch stark von Theorien über das Verhalten der Beleuchtung abhängig.
Beschreibung:
Ein Blitz ist per Definition eine plötzliche elektrostatische Entladung während eines Gewitters. Diese Entladung ermöglicht es geladenen Regionen in der Atmosphäre, sich vorübergehend auszugleichen, wenn sie auf ein Objekt am Boden treffen. Obwohl Blitze immer von Donnergeräuschen begleitet werden, können entfernte Blitze gesehen werden, die jedoch zu weit entfernt sind, um den Donner zu hören.
Typen:
Blitze können eine von drei Formen annehmen, die durch das definiert werden, was sich am „Ende“ des Abzweigkanals befindet (d. h. Blitzschlag). Beispielsweise gibt es Intra-Cloud-Lighting (IC), das zwischen elektrisch geladenen Regionen einer Wolke stattfindet; Cloud-to-Cloud (CC) Beleuchtung, wo sie zwischen einer funktionalen Gewitterwolke und einer anderen auftritt; und Wolke-Boden-(CG)-Blitze, die hauptsächlich in der Gewitterwolke entstehen und auf einer Erdoberfläche enden (aber auch in umgekehrter Richtung auftreten können).
Mehrere Pfade von Wolke-zu-Wolke-Blitzen, Swifts Creek, Australien.. Credit: fir0002/flagstaffotos.com.au
Intrawolkenblitze treten am häufigsten zwischen dem oberen (oder „Amboss“) Teil und dem unteren Bereich eines bestimmten Gewitters auf. In solchen Fällen kann der Beobachter nur einen Lichtblitz sehen, ohne einen Donner zu hören. Der Begriff „Hitzeblitz“ wird hier aufgrund der Assoziation zwischen lokal empfundener Wärme und den entfernten Blitzen häufig verwendet.
Im Fall von Wolke-zu-Wolke-Blitzen kommt die Ladung typischerweise von unterhalb oder innerhalb des Amboss und kraxelt durch die oberen Wolkenschichten eines Gewitters, wobei normalerweise ein Blitz mit mehreren Zweigen erzeugt wird.
Cloud-to-Ground (CG) ist die bekannteste Art von Blitzen, obwohl sie die dritthäufigste ist und weltweit etwa 25 % der Fälle ausmacht. In diesem Fall nimmt der Blitz die Form einer Entladung zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden an, hat normalerweise eine negative Polarität und wird durch einen abgestuften Ast ausgelöst, der sich von der Wolke nach unten bewegt.
CG-Blitze sind am bekanntesten, da sie im Gegensatz zu anderen Blitzformen auf einem physischen Objekt (meistens der Erde) enden und sich daher für die Messung mit Instrumenten eignen. Darüber hinaus stellt es die größte Bedrohung für Leben und Eigentum dar, daher wird das Verständnis seines Verhaltens als eine Notwendigkeit angesehen.
Häufigkeit von Blitzeinschlägen weltweit, basierend auf Daten der NASA. Bildnachweis: Wikipedia/Citynoise
Eigenschaften:
Beleuchtung entsteht, wenn Windauf- und -abwinde in der Atmosphäre stattfinden, wodurch ein Lademechanismus entsteht, der elektrische Ladungen in Wolken trennt – negative Ladungen unten und positive Ladungen oben bleibend. Mit zunehmender Ladung am unteren Ende der Wolke wächst auch die Potenzialdifferenz zwischen Wolke und Erde, die positiv geladen ist.
Wenn ein Zusammenbruch am unteren Ende der Wolke eine positive Ladungstasche erzeugt, bildet sich ein elektrostatischer Entladungskanal und beginnt sich in Schritten von mehreren Dutzend Metern nach unten zu bewegen. Im Fall von IC- oder CC-Blitzen wird dieser Kanal dann zu anderen Taschen mit positiven Ladungsbereichen gezogen. Bei CG-Schlägen wird der Stufenleiter vom positiv geladenen Boden angezogen.
Viele Faktoren beeinflussen die Häufigkeit, Verteilung, Stärke und physikalischen Eigenschaften eines „typischen“ Blitzes in einer bestimmten Region der Welt. Dazu gehören Bodenhöhe, Breitengrad, vorherrschende Windströmungen, relative Luftfeuchtigkeit, Nähe zu warmen und kalten Gewässern usw. Bis zu einem gewissen Grad kann das Verhältnis zwischen IC-, CC- und CG-Blitzen auch in mittleren Breiten je nach Jahreszeit variieren.
Ungefähr 70 % der Blitze treten über Land in den Tropen auf, wo die atmosphärische Konvektion am stärksten ist. Dies geschieht sowohl durch die Mischung wärmerer und kälterer Luftmassen als auch durch Unterschiede in der Feuchtekonzentration und geschieht in der Regel an den Grenzen zwischen ihnen. In den Tropen, wo der Gefrierpunkt in der Atmosphäre im Allgemeinen höher ist, sind nur 10 % der Blitze CG. Auf dem Breitengrad Norwegens (ca. 60° nördlicher Breite), wo die Gefrierhöhe niedriger ist, sind 50 % der Blitze CG.
Eine Serie von Blitzeinschlägen, aufgenommen von der Nightpod-Kamera an Bord der ISS über Rom im Jahr 2012. Bildnachweis: ESA/NASA/André Kuipers
Auswirkungen:
Im Allgemeinen hat Blitz drei messbare Auswirkungen auf die Umgebung. Da ist zum einen die direkte Wirkung eines Blitzeinschlags selbst, bei der es zu Bauschäden oder sogar körperlichen Schäden kommen kann. Wenn Licht auf einen Baum trifft, verdampft es Saft, was dazu führen kann, dass der Stamm explodiert oder große Äste abbrechen und zu Boden fallen.
Wenn ein Blitz auf Sand trifft, kann der Boden um den Plasmakanal schmelzen und röhrenförmige Strukturen bilden, die Fulgurite genannt werden. Vom Blitz getroffene Gebäude oder hohe Bauwerke können beschädigt werden, da der Blitz unbeabsichtigte Wege zum Boden sucht. Und obwohl ungefähr 90 % der vom Blitz getroffenen Menschen überleben, können Menschen oder Tiere, die vom Blitz getroffen werden, schwere Verletzungen aufgrund von Schäden an inneren Organen und Nervensystemen erleiden.
Donner ist auch eine direkte Folge elektrostatischer Entladung. Da der Plasmakanal die Luft in seiner unmittelbaren Umgebung überhitzt, erfahren die gasförmigen Moleküle einen schnellen Druckanstieg und dehnen sich so vom Blitz nach außen aus, wodurch eine hörbare Stoßwelle (auch Donner genannt) entsteht. Da sich die Schallwellen nicht von einer einzigen Quelle ausbreiten, sondern über die gesamte Länge des Blitzwegs, können die unterschiedlichen Entfernungen des Ursprungs einen rollenden oder polternden Effekt erzeugen.
Auch bei einem Blitzeinschlag entsteht energiereiche Strahlung. Dazu gehören Röntgen- und Gammastrahlen, die durch Beobachtungen mit elektrischen Feld- und Röntgendetektoren sowie weltraumgestützten Teleskopen bestätigt wurden.
Ein Fulgerit, der sich durch einen Blitzeinschlag in einem sandigen Fleck gebildet hat. Bildnachweis: blogs.discovermagazine.com
Studien:
Die erste systematische und wissenschaftliche Untersuchung des Blitzes wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts von Benjamin Franklin durchgeführt. Zuvor hatten Wissenschaftler erkannt, wie Elektrizität in positive und negative Ladungen getrennt und gespeichert werden kann. Sie hatten auch einen Zusammenhang zwischen im Labor erzeugten Funken und Blitzen festgestellt.
Franklin stellte die Theorie auf, dass Wolken elektrisch geladen sind, woraus folgte, dass Blitze selbst elektrisch waren. Zunächst schlug er vor, diese Theorie zu testen, indem er einen Eisenstab neben einen geerdeten Draht legte, der in der Nähe von einer isolierten Wachskerze gehalten würde. Wenn die Wolken wie erwartet elektrisch geladen wären, würden Funken zwischen dem Eisenstab und dem geerdeten Draht überspringen.
Im Jahr 1750 veröffentlichte er einen Vorschlag, wonach ein Drachen bei einem Sturm geflogen werden sollte, um Blitze anzuziehen. 1752 führte Thomas Francois D’Alibard das Experiment in Frankreich erfolgreich durch, verwendete jedoch anstelle eines Drachens eine 12 Meter lange Eisenstange, um Funken zu erzeugen. Im Sommer 1752 soll Franklin das Experiment während eines großen Sturms, der über Philadelphia niederging, selbst durchgeführt haben.
Für seine verbesserte Version des Experiments griff Franking einen Schlüssel zum Drachen an, der über eine feuchte Schnur mit einem isolierenden Seidenband verbunden war, das um Franklins Handknöchel gewickelt war. Franklins Körper bildete unterdessen den leitenden Weg für die elektrischen Ströme zum Boden. Franklin konnte nicht nur zeigen, dass Gewitter Elektrizität enthalten, sondern auch, dass der untere Teil des Gewitters im Allgemeinen ebenfalls negativ geladen war.
Eine künstlerische Interpretation von Franklins Drachenexperiment, gemalt von Benjamin West. Kredit: Gemeinfrei
Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts, als Fotografie und spektroskopische Werkzeuge für die Blitzforschung zur Verfügung standen, wurden beim Verständnis der Eigenschaften von Blitzen kaum bedeutende Fortschritte erzielt. Zeitaufgelöste Fotografie wurde in dieser Zeit von vielen Wissenschaftlern verwendet, um einzelne Blitzeinschläge zu identifizieren, die eine Blitzentladung auf den Boden bilden.
Die Blitzforschung in der Neuzeit geht auf die Arbeit von C.T.R. Wilson (1869 – 1959), der als erster elektrische Feldmessungen anwendete, um die Struktur von Gewitterladungen bei Blitzentladungen abzuschätzen. Wilson erhielt auch den Nobelpreis für die Erfindung der Nebelkammer, eines Teilchendetektors, der verwendet wird, um das Vorhandensein ionisierter Strahlung zu erkennen.
In den 1960er Jahren wuchs das Interesse dank des intensiven Wettbewerbs durch die Weltraumzeitalter . Da Raumfahrzeuge und Satelliten in die Umlaufbahn geschickt wurden, gab es Befürchtungen, dass Blitze eine Bedrohung für Luft- und Raumfahrtfahrzeuge und die in ihren Computern und Instrumenten verwendete Festkörperelektronik darstellen könnten. Darüber hinaus wurden dank verbesserter weltraumgestützter Technologien verbesserte Mess- und Beobachtungsmöglichkeiten ermöglicht.
Zusätzlich zur bodengestützten Blitzerkennung wurden mehrere Instrumente an Bord von Satelliten konstruiert, um die Blitzverteilung zu beobachten. Dazu gehören der Optical Transient Detector (OTD) an Bord des am 3. April 1995 gestarteten Satelliten OrbView-1 und der nachfolgende Lightning Imaging Sensor (LIS) an Bord TRMM , das am 28. November 1997 ins Leben gerufen wurde.
Der Colima-Vulkan (Volcán de Colima) im Bild am 29. März 2015 mit Blitz. Kredit und Copyright: César Cantú.
Vulkanischer Blitz:
Vulkanische Aktivität kann auf verschiedene Weise blitzfreundliche Bedingungen erzeugen. Durch den kraftvollen Ausstoß enormer Mengen an Stoffen und Gasen in die Atmosphäre entsteht beispielsweise eine dichte Wolke aus hochgeladenen Teilchen, die perfekte Bedingungen für Blitze schafft. Darüber hinaus erzeugen die Aschedichte und die ständige Bewegung innerhalb der Rauchfahne ständig eine elektrostatische Ionisierung. Dies führt wiederum zu häufigen und starken Blitzen, während die Plume versucht, sich selbst zu neutralisieren.
Aufgrund des hohen Feststoffanteils (Asche) wird diese Gewitterart oft als „schmutziges Gewitter“ bezeichnet. Im Laufe der Geschichte wurden mehrere vulkanische Blitze aufgezeichnet. Während des Ausbruchs des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr. bemerkte beispielsweise Plinius der Jüngere mehrere starke und häufige Blitze, die um die Vulkanfahne herum stattfanden.
Außerirdischer Blitz:
Blitze wurden in den Atmosphären anderer Planeten unseres Sonnensystems wie Venus, Jupiter und Saturn beobachtet. Im Falle des Venus , wurden die ersten Hinweise auf Blitze in der oberen Atmosphäre von den sowjetischen Missionen Venera und US-Pionier in den 1970er und 1980er Jahren beobachtet. Vom aufgezeichnete Funkimpulse Raumsonde Venus Express (im April 2006) wurden als von Blitzen auf der Venus stammend bestätigt.
Künstlerkonzept eines GewittersVenus. Bildnachweis: NASA)
Gewitter, die denen auf der Erde ähnlich sind, wurden auf . beobachtet Jupiter . Es wird angenommen, dass sie das Ergebnis feuchter Konvektion mit der Troposphäre des Jupiter sind, bei der Konvektionsfahnen feuchte Luft aus der Tiefe in die oberen Teile der Atmosphäre bringen, wo sie dann zu Wolken von etwa 1000 km Größe kondensiert.
Die Abbildung der nachtseitigen Hemisphäre des Jupiter durch die Galilei in den 1990er und durch die Cassini Raumsonde im Dezember 2000 enthüllte, dass Stürme immer mit Blitzen auf Jupiter verbunden sind. Obwohl Blitzeinschläge im Durchschnitt einige Mal stärker sind als auf der Erde, sind sie anscheinend seltener. In Polarregionen wurden einige Blitze entdeckt, was Jupiter nach der Erde zum zweiten bekannten Planeten macht, der polare Blitze zeigt.
Auf Saturn wurde auch eine Beleuchtung beobachtet. Die erste Instanz geschah im Jahr 2010 wenn dasCassiniRaumsonde entdeckte Blitze auf der Nachtseite des Planeten, die zufällig mit der Entdeckung starker elektrostatischer Entladungen zusammenfielen. Im Jahr 2012 zeigten Bilder der Cassini-Sonde im Jahr 2011, wie die massiver Sturm, der die Nordhalbkugel erfasste erzeugte auch starke Blitze.
Blitze, die einst als „Hammer der Götter“ galten, werden heute als Naturphänomene verstanden, die auf anderen terrestrischen Welten und sogar Gasriesen existieren. Wenn wir mehr darüber erfahren, wie sich die Beleuchtung hier auf der Erde verhält, könnte dieses Wissen uns helfen, auch Wettersysteme auf anderen Welten zu verstehen.
Wir haben hier bei Universe Today viele Artikel über Blitze geschrieben. Hier ist ein Artikel über Das größte Blitzschutzsystem der NASA . Und hier ist ein interessanter Artikel über die mögliche Verbindung zwischen Sonnenwind und Blitz .
Wenn Sie weitere Informationen zu Blitzen wünschen, lesen Sie die Homepage der National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) . Und hier ist ein Link zu Erdobservatorium der NASA .
Wir haben auch eine Episode von Astronomy Cast mit dem Titel Folge 51: Erde .