Vom Gewitter zum Regenbogen

Erst Mitte des 18. Jahrhunderts fand der Naturwissenschaftler, Erfinder und Staats-mann Benjamin Franklin, dass Blitz und Donner physikalische Erscheinungen der Atmosphäre sind. Er erfand auch den Blitzableiter.

Unsere Atmosphäre enthält neben den Gasen Sauerstoff und Stickstoff hauptsächlich noch Kohlendioxid (etwa 0,5 %) und etwa genauso viel Wasserdampf, ein unsichtbares Gas aus verdampftem Wasser. Die Luft kann abhängig von ihrer Temperatur unterschiedlich große Mengen Wasserdampf maximal aufnehmen: Bei 0° 5 g/m³, bei 10° etwa 10 g/m³, bei 20 ° etwa 17 g/m³ und bei 30° etwa 30 g/m³. Die Luft ist dann zu 100% mit Wasserdampf gesättigt (Taupunkt). Jedes Mehr an Wasserdampf oder Absinken der Temperatur bewirkt, dass die Luft überschüssigen Wasserdampf als feine, jetzt sichtbare Wassertröpfchen ausscheidet (Kondensation).

An einem schönen Sommertag wird die Erdoberfläche durch die Sonne verschieden stark erwärmt, Felder und freie Flächen werden wärmer als z.B. Wälder. Steigt nun ein erwärmtes Luftpaket mit einer bestimmten Wasserdampfmenge auf, so kühlt es sich beim Aufsteigen zunächst nur ab (ca. 1° pro 100 m). Wird aber der Taupunkt erreicht, beginnt die Wolkenbildung. Sie hört auf, d.h. die Obergrenze der Wolke wird erreicht, wenn die gesamte Feuchtigkeit kondensiert ist. Wir bekommen eine wohlgeformte Haufenwolke (Cumulus): Der typische weiß-blaue bayerische Himmel (Bild1).

Bild 1 Schönwetterwolke (Cumulus humilis)  (Gig, CC-BY-SA 2.0)
Bild 1 Schönwetterwolke (Cumulus humilis)
(Gig, CC-BY-SA 2.0)

Nebel ist nichts anderes als eine auf dem Erdboden aufliegende Wolke. Er entsteht wie diese, wenn in der Nacht die Temperatur unter den Taupunkt fällt. Erwärmt sich das Luftpaket um die Mittagszeit weiter und ist sie auch noch feuchter, so quellen die Wolken auf und wachsen in die Höhe. Sie sehen dann am oberen Teil wie ein Blumenkohl aus (Bild 2) und sind der Vorläufer einer Gewitterwolke. Was passiert nun in dieser Wolke ?

Die kleinen Wassertröpfchen vereinigen sich beim Aufsteigen zu größeren, fallen auf Grund ihres Gewichts wieder nach unten, verdunsten aber wieder bevor sie die Wolke als Regen verlassen. Erreichen sie eine Höhe mit einer Temperatur unter 0°, können sich Eiskristalle bilden. So entsteht eine Mischwolke, in der durch Turbulenzen Tröpfchen und Kristalle weiter wachsen.

Bild 2  „Blumenkohlwolken“ (Cumulus congestus)
Bild 2 „Blumenkohlwolken“ (Cumulus congestus)

Erreicht die Wolkenhöhe schließlich die Grenze der Troposphäre in 10 – 12 km Höhe (Tropopause), wird die Luft nicht mehr kälter, da in der Tropopause die Temperatur zunächst bei – 57° konstant bleibt. Dadurch werden die aufsteigenden Luftpakete gestoppt, die Luft strömt horizontal auseinander und es bildet sich die Gewitterwolke mit ihrer typischen Ambossform (Bild 3).

In dieser Wolke haben wir starke Auf- und Abwärtsbewegungen (Turbulenzen) sehr hoher Geschwindigkeit (5 – 20 m/s und mehr). Dadurch reiben sich größere, kleinere Eiskristalle und Wassertröpfchen aneinander, es entstehen elektrische Ladungen durch Reibungselektrizität.

Jeder von uns kennt dieses Phänomen. Zieht man sich einen Pullover oder ein Hemd aus Kunststoff aus, so hört man ein leises Knistern. Im Dunkeln sieht man sogar kleine Funken. Ähnlich beim Kämmen von trockenem Haar. Vielleicht erinnern wir uns auch noch an Versuche im PCB- (Physik, Chemie, Biologie) oder Physik-Unterricht, wo ein Hartgummistab mit Wolle oder Bernstein mit einem Fell gerieben wurden. Durch die Reibung dieser Materialien (alles elektrisch nicht leitende Stoffe) kommen diese miteinander in so engen Kontakt, dass die, die ihre Elektronen nicht so fest binden, diese an das andere Material abgeben und dadurch eine positive Ladung zurück behalten. Das andere bekommt eine negative Ladung.

Bild 3 Ausgebildete Gewitterwolke (Cumulus Nimbus) in der typischen  Ambossform (Uli Feuermeister, CC-BY-SA 3.0)
Bild 3 Ausgebildete Gewitterwolke (Cumulus Nimbus) in der typischen Ambossform (Uli Feuermeister, CC-BY-SA 3.0)
Bild 4 Typische Blitzentladung
Bild 4 Typische Blitzentladung

In der Gewitterwolke geben die kleinen Eisteilchen ihre Elektronen an die größeren (Graupel) Teilchen ab, so dass letztere den unteren Teil der Wolke negativ aufladen, während der oberer Teil positiv bleibt. Die Spannung zwischen den unterschiedlich geladenen Teilen der Wolke nimmt immer mehr zu bis es zu einer Blitz Entladung
(Bild 4) kommt.

Man nimmt an – alles ist bei den komplizierten Vorgängen in der Wolke noch nicht geklärt – , dass sich zunächst ein Blitzkanal aus elektrisch geladenen Luft-, Wassermolekülen (Ionen) und Elektronen bildet. Das sind ca. fingerdicke (Bild 4), stufenweise sich aufbauende, zickzackförmige Verästelungen. Bevor diese den Boden erreichen gehen von dort bläuliche, schwach leuchtende „ Fangladungen“ von Spitzen (Bäumen, Kirchtürmen) aus. Beim Zusammentreffen gleichen sich die Ladungen in Form eines grellen Blitzes bei einer Spannung von einigen 10 Millionen Volt aus. Die Temperatur im Blitz mit einem Durchmesser von etwa 10 cm erreicht 30 000°, die Stromstärke liegt im Mittel bei etwa 10 – 20 000 Ampere. Am Ende des Blitzes dehnt sich die extrem heiße, ionisierte Luft explosionsartig aus, wir hören den Donner.

Nur etwa 10 % der Blitze erreichen den Erdboden. Man kann die Entfernung zum Gewitter dadurch bestimmen, in dem man die Zeit in Sekunden zwischen Blitz und Donner durch 3 teilt. Bei 9 s ist die Entfernung noch 3 km. Man sollte jetzt nach einem Schutz suchen (festes Gebäude, Auto), da die Blitze mehrere km lang sein können. Besteht kein Schutz Bäume meiden, auf freiem Feld in die Hocke gehen und Kopf einziehen sind dann die Mindestmaßnahmen.

Heftiger, schauerartiger Regen setzt ein, je nach Temperatur auch als Graupelschauer oder Hagel. Alles wird begleitet von starken bis stürmischen Winden durch die Abwinde, hervorgerufen durch die mit den Graupelkörnern mitgerissenen Luftschichten in der Wolke. Auch große Verkehrsflugzeuge weichen den Gewitterwolken aus.

Fortsetzung folgt!

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