Alles über Blitze

Die Blitzentladung hat ihren Ursprung in der geladenen Gewitterwolke, wobei der genaue Mechanismus der Ladungstrennung innerhalb der Gewitterwolke bis heute nicht vollständig geklärt ist. Im wesentlichen wird zwischen der mikroskopischen Ladungstrennung an den Niederschlagspartikeln und der makroskopischen Ladungstrennung innerhalb der Gewitterwolke unterschieden. Es wird davon ausgegangen, daß in der Wolke im wesentlichen zwei Ladungszentren vorliegen, wobei in den oberen Regionen der Wolke positive Ladungen auf Eiskristallen und in den unteren Regionen negative Ladungen auf Wassertröpfchen zu finden sind. An der Wolkenuntergrenze finden sich meist noch geringe Mengen positiver Ladung. Abb. 1 zeigt schematisch die Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke.

Eine Einteilung der Blitzentladungen erfolgt nach der Polarität der vom Blitz aus der Wolke abgeführten Ladung und nach der Vorwachsrichtung des Leitblitzes, der im folgenden noch näher beschrieben wird. Diese Form der Einteilung wurde vom Schweizer Blitzforscher Berger vorgeschlagen. Die am ausführlichsten untersuchte Entladungsform stellt der negative Wolke-Erde Blitz (negativer Abwärtsblitz) dar, da mehr als 90% aller Blitze diesem Typus entsprechen und diese Form der Entladung daher auch für Fragen des Blitzschutzes grundlegende Bedeutung hat

Der negative Abwärtsblitz wird häufig eingeleitet durch sogenannte Vorentladungen innerhalb der Gewitterwolke. Auch wenn über den genauen physikalischen Vorgang und die Lokalisierung der genannten Vorentladungen noch Unklarheit herrscht, so wird angenommen, daß durch diese Vorentladungen Ladungsverschiebungen innerhalb der Wolke stattfinden. Diese Ladungs- verschiebungen dürften ihrerseits zu einer entsprechenden Ladungskonzentration und in der Folge zur Initialisierung des ersten Leitblitzes (engl. Stepped Leader) führen.

Der erste Leitblitz wächst mit meist starker Verästelung in Ruckstufen von der Wolke Richtung Erde (abwärts), wobei die einzelnen Stufen Längen von 10 m bis 200 m aufweisen und eine mittlere Vorwachsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 m/µs beobachtet wurde. Die Pausenzeiten zwischen den Ruckstufen liegen im Bereich von 37 bis 124 µs. Nähert sich der negativ geladene Leitblitzschlauch dem Erdboden, so steigt dadurch an der Spitze exponierter Objekte (Türme, Bäume, Häuser, u.ä.m.) die elektrische Feldstärke, bis die Durchbruchfeldstärke von Luft überschritten wird. In der Folge starten von diesen Objekten Fangentladungen, die dem Kopf des Leitblitzes entgegenwachsen. Es ist dabei durchaus möglich, daß gleichzeitig Fangentladungen von mehreren Objekten ausgehen. Der tatsächliche Einschlagspunkt am Boden wird durch jene Fangentladung bestimmt, die als erstes mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft und damit eine durchgehende Verbindung zwischen dem geladenen Leitblitzschlauch und dem Erdboden herstellt. Die Länge der Fangentladungen, auch als Enddurchschlagstrecke bezeichnet, liegt im Bereich von einigen 10 m. Sowohl theoretische Überlegungen als auch Experimente zeigen, daß die Länge der Fangentladung mit steigender Blitzstromamplitude zunimmt. Die Enddurchschlagstrecke ist von grundlegender Bedeutung für die Dimensionierung von Blitzschutzanlagen.

Nach dem bereits beschriebenen Zusammentreffen von Leitblitzkopf und Fangentladung beginnt die Hauptentladung (engl. Return Stroke). Sie nimmt ihren Ausgang am Einschlagspunkt und pflanzt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit von 130 m/µs in Richtung Wolke fort. Am Einschlagspunkt tritt der bekannte impulsförmige Strom mit einer Amplitude von einigen kA bis zu einigen 100 kA auf. Die mittlere Anstiegszeit des Stromes von 2 kA Wert bis zum Maximalwert liegt bei 5,5 µs. Während der Hauptentladung wird in erster Linie die im Leitblitzschlauch gespeicherte negative Ladung zur Erde abgeführt. In Abbildung 2 sind die drei wesentlichen Phasen der Blitzentladung schematisch dargestellt.

Der Energieumsatz im hell aufleuchtenden Blitzkanal führt zu einer Aufheizung auf eine Temperatur von ca. 30 000 K und damit zu hohem Überdruck, der sich in Form einer Stoßwelle, dem Donnerknall, ausgleicht.

Wird durch den Erstblitz der Großteil der verfügbaren Ladung abgeführt, so kann nach Beendigung des Stromflusses am Einschlagpunkt das Ereignis Blitz beendet sein. In vielen Fällen folgt jedoch nach einer mittleren Pausenzeit von 35 ms ein weiterer Leitblitz (engl. Dart Leader) dem Kanal der vorangegangenen Entladung. Im Gegensatz zum ruckartigen Vorwachsen des ersten Leitblitzes (Stepped Leader) zeigt der Dart Leader ein gleichmäßiges Vorwachsen mit einer mittleren Geschwindigkeit von 3 m/µs. Durch den Dart Leader wird der Blitzkanal neuerlich mit Ladung gefüllt und nachdem der neue Leitblitz den Boden erreicht hat durch eine sogenannte Folgeentladung entladen. Dieser Ablauf kann sich mehrmals wiederholen, wobei in Einzelfällen bis zu 20 aufeinanderfolgende Entladungen in einem Blitzkanal registriert wurden. Eine größere Anzahl von Folgeentladungen kann zu einem Flackern des Blitzkanals führen, das auch mit freiem Auge wahrnehmbar ist. Erst kürzlich durchgeführte umfangreiche Analysen von in Florida (USA) gewonnenen Meßdaten haben eine mittlere Anzahl von 4,6 Entladungen pro Blitz ergeben, wobei von 76 ausgewerteten Blitzen 63 Blitze (83%) mehr als eine Entladung zeigten und nur 13 Blitze (17%) sogenannte Einzelblitze darstellten. In Schweden wurden mit Hilfe eines Blitzortungssystems bei ca. 60% der Blitze mehrere Entladungen festgestellt. Damit zeigt sich, daß Mehrfachentladungen nicht als außergewöhnlich, sondern als durchaus üblich zu betrachten sind.

Bei einem Teil der Entladungen folgt dem impulsförmigen Stoßstrom ein sogenannter Langzeitstrom (engl. Continuing Current). Dabei handelt es sich um einen annähernd konstanten Strom von bis zu einigen 100 A, der aber während einer vergleichsweise langen Zeitdauer (bis zu mehreren 100 ms) fließt. Durch diesen Stromfluß können beachtliche Ladungsmengen von mehreren 10 As direkt von der Wolke zur Erde abgeführt werden und damit verbunden tritt ein deutlich höherer Energieumsatz an der Einschlagstelle auf. Dieser hohe Energieumsatz kann zum Entzünden brennbarer Materialien oder zum Durchschmelzen dünner Metallbleche führen. Bei Blitzen mit mehreren Entladungen tritt in 50% aller Fälle ein Langzeitstrom auf, d.h. jeder zweite Blitz mit mindestens einem Folgeblitz weist auch einen Langzeitstrom auf.

Inwieweit einzelne Blitzparameter wie z.B. die Anzahl der Folgeblitze oder das Auftreten von Langzeitströmen von der geographischen Lage, den meteorologischen Bedingungen oder auch einfach von der Jahreszeit abhängen bzw. unabhängig davon sind, ist bis heute nicht zufriedenstellend geklärt.