Entstehung von Gewittern

Thema dieses Films ist die Entstehung von Gewittern. Eines der bekanntesten physikalischen Experimente soll 1752 in der Nähe der amerikanischen Stadt Philadelphia stattgefunden haben. Mitten in einem Gewitter steht der Wissenschaftler Benjamin Franklin unter einem Vordach und lässt einen Drachen steigen. An der Spitze des Drachens ragt eine kleine Antenne aus Metalldraht nach oben. An der Drachenleine ist ein Schlüssel und daran ein Faden aus Seide befestigt, mit dem Franklin sein Fluggerät steuert. Als ein Blitz in die Metallantenne einschlägt, berichtet Franklin, springen Funken aus dem Schlüssel, der in der Nähe der Erde baumelt. Während die meisten seiner Zeitgenossen Gewitter noch als Strafen einer höheren Gewalt ansehen, liefert Franklin mit seinem Experiment eine physikalische Erklärung für das Naturphänomen. Gewitter seien nichts anderes als elektrische Entladungen zwischen Wolken und Erde. Wie diese sichtbar gewordene Elektrizität entsteht, konnte Franklin noch nicht erklären, doch selbst heute ist sich die Wissenschaft noch nicht einig darüber, wie ein Gewitter entsteht. Die gängigste Erklärung basiert auf dem Aufsteigen feuchtwarmer Luftmassen, wie sie sich in Deutschland etwa im Sommer bilden. Denn wenn sich die Erdoberfläche durch die Sonneneinstrahlung stark erwärmt, verdunsten, etwa an Seen, auch große Mengen an Wasser. Dem flüssigen Wasser wird Energie hinzugefügt und es entsteht gasförmiger Wasserdampf. Die mit Wasserdampf beladene warme Luft dehnt sich aus und steigt in der Folge nach oben. Mit zunehmender Höhe kühlt die feuchtwarme Luft dann wieder ab. Da kalte Luft aber viel weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme, entstehen aus dem überschüssigen Wasserdampf nun viele kleine Wassertröpfchen. Die Ansammlung aus Minitropfen ist nichts anderes als eine Wolke. Diesen Vorgang, also das Gegenteil der Verdunstung, nennt man Kondensation. Dabei wird auch die für den Verdunstungsprozess aufgewendete Energie als Wärme wieder freigesetzt. Dadurch erwärmt sich die Wolke nun gegenüber der Umgebungsluft und steigt so weiter nach oben. Sie kann so große Höhen erreichen, dass einzelne Wassertropfen in der kalten Umgebungsluft zu gefrieren beginnen. Diese leichten Eisteilchen werden von starken Aufwinden in der Wolke nach oben geblasen, während die schwereren Wassertröpfchen nach unten fallen. Kollidieren beide, tritt Reibung auf. Dadurch laden sich die Eisteilchen positiv und die Wassertröpfchen negativ auf. Nach und nach entsteht so ein elektrisches Feld mit einem Pluspol am oberen Ende und einem Minuspol am unteren Ende der Wolke. Die entstandene Gewitterwolke ist damit so etwas wie eine riesige Batterie, die über der positiv geladenen Erdoberfläche schwebt. Diese Batterie erzeugt zwei elektrische Felder: eines innerhalb der Wolke und eines zwischen Wolke und Erdoberfläche. Durch die Reibung zwischen Eisteilchen und Wassertröpfchen steigt die Spannung der beiden elektrischen Felder beständig an. Ist die Spannung innerhalb der Wolke groß genug, können sich die elektrischen Ladungen in Form eines Blitzes über die Wolkenluft ausgleichen. Solche Blitze innerhalb der Wolke sind der Normalfall, den man von der Erde aus meistens gar nicht sieht. Der Spannungsausgleich zwischen Wolke und Erde in Form eines Blitzes ist viel seltener. Dabei jagt zunächst ein sogenannter Leitblitz in Richtung Erde. Dieser erzeugt einen Kanal, in dem dann der Hauptblitz den Spannungsunterschied zwischen Wolke und Erde aufbaut. Die Blitze bewirken auch das lauteste Gewitterphänomen, den Donner. Der Hauptblitz erzeugt im Blitzkanal Temperaturen von bis zu 30.000 Grad Celsius. Dadurch dehnt sich die Umgebungsluft schlagartig aus und Schallwellen pflanzen sich in alle Richtungen fort. Obwohl Blitz und Donner also zur gleichen Zeit entstehen, nehmen wir beide Phänomene zeitversetzt wahr. Das liegt daran, dass sich das Licht des Blitzes mit Lichtgeschwindigkeit auf uns zu bewegt, dem der Schall des Donners wesentlich langsamer nachfolgt. Auf Basis der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Licht und Schall kann man auch berechnen, wie weit ein Gewitter noch vom eigenen Standort entfernt ist. Dazu muss man nur die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählen und das Ergebnis durch drei teilen. Das ergibt dann die Entfernung des Gewitters in Kilometern. Bei drei Sekunden Versatz zwischen Blitz und Donner ist das Gewitter also noch etwa einen Kilometer weit weg. Ob aber die vorgestellte Theorie zur Entstehung von Gewittern tatsächlich genau stimmt, muss die Wissenschaft, etwa mithilfe neuer Radioteleskope, noch beweisen. Im Vergleich dazu waren die technischen Möglichkeiten von Benjamin Franklin noch sehr eingeschränkt und vor allem auch lebensgefährlich. Trotzdem ermöglichten sie ihm eine der wichtigsten Erfindungen der Zeit. Der von Franklin entwickelte Blitzableiter ist eine geerdete Metallstange, die außen an Häusern angebracht wird und einen einschlagenden Blitz in den Boden ableitet. So kann man dank Franklin heute entspannt aus dem Fenster gucken, während draußen scheinbar die Welt untergeht.