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Thema des Tages
Ausgegeben vom Deutschen Wetterdienst. Neueste Meldung oben

Erscheinungen bei Gewittern - Blitz und Donner


Man unterscheidet mehrere, z.T. zusammenwirkende Ursachen der
Entstehung von Gewittern. Wärmegewitter bilden sich durch
Labilisierung ausreichend feuchter Luft infolge kräftiger
Sonneneinstrahlung und anschließender massiver Konvektion in darüber
liegende, kältere Luftschichten. Bei Frontgewittern werden die
Hebungs- oder Umlagerungsprozesse durch dynamische Effekte
verursacht, meist im Bereich von Kaltfronten, wenn sich Kaltluft am
Boden unter die wärmere Luft schiebt und diese zum raschen Aufsteigen
zwingt oder wenn in der Höhe Kaltluftadvektion stattfindet und sich
der vertikale Temperaturgradient verschärft. Labilisierung kann auch
durch orographische Hebung beim Überströmen von Gebirgen erzielt
werden.

In jedem Falle entstehen weit in die Troposphäre aufragende
Quellwolken, sogenannte "Cumulonimben". Gewitter werden stets von
Blitzen als elektromagnetische und Donner als akustische Phänomene
begleitet. Blitze entstehen in sich hoch auftürmenden Gewitterwolken
infolge von Ladungstrennung durch Reibung von Wolkenpartikeln. Jedoch
sind die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse bis heute nicht
vollständig geklärt. Aufgrund mechanischer Wechselwirkung innerhalb
einer Gewitterwolke laden sich bei Temperaturen weniger als -15 °C
die Graupelkörner negativ auf, die Eiskristalle hingegen positiv. Bei
höheren Temperaturen erfolgt die Aufladung beider Arten von
Wolkenpartikeln mit jeweils umgekehrten Vorzeichen.

In Abhängigkeit vom vertikalen Temperaturverlauf innerhalb der
Gewitterwolke bildet sich eine "sandwichartige" Ladungsstruktur,
positiv bzw. negativ geladene Wolkenschichten folgen jeweils
aufeinander. Allerdings sind die in Gewitterwolken gemessenen
elektrischen Feldstärken zu gering, als dass die Luft ionisiert und
damit elektrisch leitend würde, und sich die Ladungsunterschiede
spontan in Form von Blitzen entladen könnten. Einige amerikanische
Physiker vertreten daher die Theorie, dass die Ionisierung der
Luftmoleküle durch hochenergetische, sog. schnelle Elektronen, die in
der kosmischen Höhenstrahlung vorkommen, bewirkt wird.

Wenn die elektrische Feldstärke zu groß wird und ein "Durchschlag"
des Dielektrikums Luft unmittelbar bevor steht, bildet sich zunächst
ein Blitzkanal aus ionisierter Luft (Plasma), in der ein negativ
geladener Leitblitz sich mit ca. einem Drittel der
Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Vom positiv geladenen Gegenpol
(Erdboden oder Wolke) eilt ihm eine entsprechende "Fangentladung"
entgegen. Nun können sich die Potentialunterschiede mit aller Macht
ausgleichen - negative Ladungen strömen zum Erdboden bzw. zu positiv
geladenen Regionen der Wolke und umgekehrt - es blitzt.

Die plötzliche und starke Erhitzung der Luft im Blitzkanal (in
Sekundenbruchteilen auf einige zehntausend Grad) infolge des hohen
Stromflusses bewirkt ihre explosionsartige Ausdehnung. Der damit
einher gehende Druckanstieg erregt eine Schockwelle, die sich in der
unmittelbaren Umgebung des Blitzes als scharfer Knall
("Donnerschlag") bemerkbar macht. Verschiedene Laufzeiten von
unterschiedlichen Punkten des Blitzkanals verursachen das
"Donnerrollen" durch Überlagerung der Schallwellen.


Dipl.-Met. Thomas Ruppert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 24.05.2018

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst



Luftelektrizität und Gewitter


In der Atmosphäre entstehen durch radioaktive Strahlung der Erde,
kosmische Strahlung aber auch durch Luftbewegungen positiv und
negativ geladene Ionen, die sich nur teilweise durch ?Rekombination?
wieder zu elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen vereinigen.
Vielmehr bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung,
Rekombination und Abwanderung elektrischer Ladungen.

Bei ruhender, ungestörter Atmosphäre gelangen positiv geladene Ionen
in eine elektrisch gut leitende Schicht in ca. 70 km Höhe, während
sich die Erdoberfläche negativ auflädt. In Bodennähe kann die
elektrische Feldstärke bis 100 Volt pro Meter (V/m) betragen. An
höheren Objekten, etwa Gebäuden oder Bäumen, steigt sie stark an, da
dort die ?Äquipotentialflächen? des elektrischen Feldes erheblich
deformiert werden.

Wird bei gewittrigen Wetterlagen, bei denen in der Atmosphäre
elektrische Feldstärken von 100000 V/m herrschen, die
Potentialänderung auf kleinem Raume zu stark, können an aufragenden
Spitzen, z.B. an Schiffsmasten oder Kirchtürmen, Büschelentladungen
auftreten. Diese seltenen Phänomene sind als ?Elmsfeuer? bekannt,
dann besteht unmittelbare Blitzgefahr und höchste Bedrohung für Leib
und Leben.

Bei Gewittern werden in Cumulonimbuswolken durch starke vertikale
Luftbewegungen große Mengen von Wassertröpfchen in beträchtliche
Höhen (bis über 10 km) befördert. Dabei entstehen durch
?Ladungstrennung? elektrische Spannungen von bis zu einer Milliarde
Volt. Die Spannungen entladen sich zwischen verschiedenen
Wolkenteilen als "Wolkenblitze", mit Gesamtlängen von bis zu 100 km,
oder als "Erdblitze" zwischen Wolke und Erdoberfläche; in letzterem
Fall bevorzugt zu exponierten und aufragenden Gegenständen.

Generell erfolgt die Blitzentladung in ruckartigen Schüben durch
Stoßionisation längs eines sog. Blitzkanals, es sind mehrere (bis
etwa 40) Entladungen im selben Blitzkanal möglich. Die elektrische
Stromstärke eines Blitzes kann 200000 Ampere erreichen, jedoch ist
die Andauer der Hauptentladung mit 1 Mikrosekunde bis 1 Millisekunde
so gering, dass die mittlere elektrische Ladungsmenge nur etwa 20
Amperesekunden beträgt. Dementsprechend klein ist auch der
Energieinhalt von Blitzen.

Die Anzahl der Gewitter auf der Erde schätzt man auf ca. 2000 pro
Stunde (mit etwa 100 Blitzen pro Sekunde), die meisten davon in den
Tropen, wobei das Kongobecken die gewitterreichste Region der Erde
ist. In Deutschland ist im langjährigen Mittel der Juli der
gewitterreichste Monat mit einer relativen Häufigkeit von über 40 %.


Dipl.-Met. Thomas Ruppert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 23.05.2018

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst





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