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Der Blitz als Wetterphänomen
Die elektrische Ladung der Erdoberfläche ist in starkem Masse von der Wetterlage abhängig. Bei ruhiger Witterung findet man am Erdboden eine negative Ladungsverteilung. Die Atmosphäre ist positiv geladen.
So bilden Erdoberfläche und Atmosphäre einen grossen Kugelkondensator. Bei einer sich entwickelnden Cumulonimbuswolke ist die Kuppe der Wolke positiv und der Bereich um die Null-Grad-Grenze negativ geladen.
Entladungen finden so lange nicht statt, als keine Eis- oder Schneekristallbildung erfolgt. Bei einer Temperatur unter 0°C bilden sich Eispartikel, die von einer Wasserhaut umschlossen sind, einem Dipol mit negativer innerer Ladung.
Unterschiedlich starke Auf- und Abwinde in einem Cumulonimbus reissen den Wassermantel teilweise vom Eiskügelchen herunter, wobei die Eiskügelchen negativ und die leichter und rascher aufwärts gerissenen Wassertröpfchen positiv geladen bleiben. So arbeitet ein Cumulonimbus wie ein grosser Generator, der so lange Ladung erzeugt, bis es durch hohe Spannungen zu elektrischen Entladungen, den Blitzen kommt.
Die plötzlichen grossen Änderungen der Ladungen und des elektrischen Potentials in der näheren Umgebung eines Blitzeinschlages lassen sich mit geeigneten Messgeräten nachweisen.
Blitze können weite Distanzen überbrücken; bisweilen springen sie von Cumulonimbus zu Cumulonimbus oder von der Erde zur Wolke. Blitze gleichen Spannungen zwischen 500000 und über 1 Mio. Volt aus, wenn sie von Wolke zu Wolke oder von den Wolken zur Erde springen. Oft folgen mehrere Blitze hintereinander, wobei sie weitgehend den gleichen Weg (Blitzkanal) einschlagen. Dies erzeugt die Illusion, dass Blitze manchmal ganze Bruchteile von Sekunden oder gar sekundenlang andauern.
Die Temperatur eines Blitzkanals entspricht derjenigen anderer elektrischer Lichtbögen und liegt bei 25000-30 000°C. Solange im Blitzkanal Strom fliesst, schnüren die elektromagnetischen Kräfte den Kanal derart ein, dass sein Durchmesser nur wenige Zentimeter beträgt. Dadurch herrscht im Innern des Kanals ein Überdruck von 2-3 Bar. Wenn der Kanal erlischt, fällt der Stromfluss und damit der Überdruck plötzlich weg, und der heisse Kern des Kanals explodiert, was sich durch den bekannten Knall, den Donner äussert.
Wegen der unterschiedlich schnellen Ausbreitung von Licht (ca. 300000 km/s) und Donner (330 m/s) ist der Blitz, wenn er nicht gerade in unmittelbarer Nachbarschaft einschlägt, früher zu sehen als der Donner hörbar wird.
Die zeitliche Differenz liefert eine bequeme Abschätzungsmöglichkeit der Entfernung des Blitzes vom Beobachter, wenn man pro Kilometer 3 Sekunden Unterschied zwischen Blitz und Donner ansetzt.
Donner entsteht durch die explosionsartige Ausdehnung der Luft im Blitzkanal infolge der kurzzeitigen Erhitzung der Luft im Kanal. Dadurch kommt es zu wellenartigen Ausdehnungen und Verdichtungen der Luft, die sich als Schallwellen radial zum Blitzkanal ausbreiten.
Durch Reflexion der Schallwellen an Gebäuden und Wolken entsteht das Donnergrollen.
Gewöhnlich ist Donner kaum weiter als 10 bis 15 km vom Blitzkanal entfernt hörbar. In dieser Entfernung ist Donner wegen der stärkeren Dämpfung hochfrequenter Anteile durch die Filterwirkung der Atmosphäre nur als tiefes Grollen oder Rumpeln wahrnehmbar. Das zeitlich gedehnte Grollen ist hauptsächlich ein Effekt verschieden langer Laufzeiten des Schalls infolge der gewundenen Bahn eines Blitzes und weniger durch die schnelle Aufeinanderfolge einer Serie von elektrischen Entladungen bedingt