Blitz

Blitz Übung

• Nenne den Grund für die Entstehung eines Blitzes.

  Tipps

  Nachdem ein Blitz stattgefunden hat, ist die elektrostatische Energie innerhalb der Wolke geringer.

  In einer Gewitterwolke gibt es Regionen, die sich stark negativ aufladen.

  Lösung

  Ein Blitz ist ein sehr starker Stromfluss, der die Spannung zwischen verschiedenen Bereichen in einer Gewitterwolke oder zwischen der Wolke und der Erdboden ausgleicht.

  Diese Spannung entsteht, weil sich verschiedene Bereiche in der Gewitterwolke elektrostatisch aufladen und so eine Ladungstrennung in der Wolke erzeugen. Ganz genau versteht man diese Ladungstrennung bis heute noch nicht, weil es sehr schwierig ist, in einer Gewitterwolke physikalische Messungen zu machen. Vermutlich entsteht sie aber durch die starken Luftströmungen in der Gewitterwolke und die Kollision einzelner Wassertröpfchen und Eiskristalle.

• Benenne die Ladungsverteilung in der Gewitterwolke.

  Tipps

  Die starken Aufwinde in einer Gewitterwolke bewirken eine Ladungstrennung.

  Im Vergleich zu der Oberseite einer Gewitterwolke ist der Erdboden negativ geladen.

  Lösung

  In einer Gewitterwolke herrschen Winde, die kleine Eispartikel und Wassertröpfchen durcheinanderwirbeln und bis zu $11$ Kilometer hoch in die Luft reißen können. Dort verbinden sich Tröpfchen miteinander und bilden größere Tropfen, die schließlich schwer genug werden, um gegen die Aufwinde nach unten zu fallen.

  In diesem wilden durcheinander kollidieren die Wassertröpfchen und Eispartikel immer wieder miteinander und tauschen dabei Ladungen untereinander aus. Meist nehmen die größeren Wassertropfen Elektronen von den kleineren Tröpfchen auf und laden sich damit negativ auf, während die kleinen Tröpfchen mit den fehlenden Elektronen eine positive Ladung erhalten. So werden vorwiegend negative Ladungen nach unten und die positive Ladungen nach oben transportiert.

  Auf diese Weise bilden sich verschiedene Ladungszonen in der Wolke aus. Insgesamt wird der obere Teil der Wolke sehr stark positiv und der untere Teil der Wolke eher negativ geladen. Blitze führen dann dazu, dass die Ladungsverteilung wieder ausgeglichen wird.

  Neueste Erkenntnisse aus der Forschung haben gezeigt, dass es in den meisten Gewitterwolken mehr als zwei Ladungszonen gibt. Beispielsweise bildet sich unter der negativ geladenen Zone meistens noch eine weitere Zone mit positiven Ladungen aus. Weil es schwierig ist, in einer Gewitterwolke Experimente durchzuführen, hat man bisher noch nicht ganz genau verstanden, wie diese Ladungszonen entstehen.

• Erläutere die Entstehung eines Blitzes.

  Tipps

  Hier siehst du die Ladungsverteilung einer Gewitterwolke.

  Wie eine Batterie besitzt auch die Wolke ein positives und ein negatives Ende.

  Lösung

  Der Blitz entsteht in einer Gewitterwolke. Verursacht wird er durch die Bewegung und den Zusammenstoß kleiner Eiskristalle.

  Jeder der Zusammenstöße erzeugt eine elektrostatische Ladung in der Wolke. Wie eine Batterie besitzt auch die Wolke ein positives und ein negatives Ende. Die positiven Ladungen liegen zumeist im oberen Bereich der Wolke, die negativen Ladungen im unteren Bereich.

  Ist die negative Ladung im unteren Bereich der Wolke groß genug, gibt die Wolke Energie frei – es entsteht ein Blitz. Der Blitz zuckt dann durch die Luft und da sich Gegensätze anziehen, wird er von einem Ort angezogen, der die entgegengesetzte Ladung besitzt. Das kann eine andere Wolke sein, aber auch der Erdboden.

• Erkläre den Ablauf eines Blitzschlags.

  Tipps

  Der sogenannte Leitblitz geht von der Wolke aus.

  Nach einem Blitzschlag hat der Erdboden die negativen Ladungen der Wolke aufgenommen.

  Auch nach einem Blitz ist der Ladungsausgleich nicht vollständig erfolgt.

  Lösung

  Durch die Ladungstrennung in einer Gewitterwolke ergibt sich eine hohe Spannung zwischen unterschiedlich geladenen Bereichen in der Wolke, aber auch zum Erdboden, der eigentlich elektrisch neutral ist. Während eines Gewitters kann die starke negative Ladung in der Wolke aber eine positive Ladung im Erdboden hervorrufen.

  Wenn die Spannung zwischen Erdboden und Wolke groß genug wird, beginnen einige negative Ladungen von der Wolke in Richtung Erde zu fließen. Auf ihrem Weg ionisieren sie Luftmoleküle und bilden so einen leitfähigen Kanal durch die Luft. Dieser sogenannte Leitblitz ist sehr viel schwächer als die Hauptentladung des Blitzes und kaum mit bloßem Auge zu sehen. Er zeichnet den eigentlichen Blitz gewissermaßen vor und erzeugt dabei auch die Verästelungen des Blitzes.

  Wenn der Leitblitz nahe genug an den Erdboden herankommt, beginnen positive Ladungen vom Erdboden aus nach oben zu fließen und damit eine sogenannte Fangentladung bilden, die ebenso einen leitfähigen Kanal erzeugt.

  Wenn sich die Fangentladung und der Leitblitz nun treffen, erzeugen sie gewissermaßen eine Kurzschluss zwischen der Wolke und dem Erdboden, sodass sich die Spannung zwischen der Wolke und dem Erdboden ausgleichen kann. Für sehr kurze Zeit fließt dann ein sehr starker Stromfluss zwischen der Erde und der Wolke: Die Hauptentladung.

  Die meisten Erdblitze gehen zwar von der Unterseite der Wolke aus, es kann allerdings auch Blitze zwischen der positiv geladenen Oberseite der Wolke und der Erde geben. Für solche Positivblitze ist eine viel größere Spannung nötig. Deshalb transportieren sie eine viel höhere Energie und sind damit viel gefährlicher als die Negativblitze. Jedoch sind nur etwa $5$ Prozent aller Blitze, die in den Erdboden einschlagen, Positivblitze.

• Beschreibe die Blitze.

  Tipps

  Wetterleuchten entstehen durch Blitze innerhalb einer Wolke.

  Die hohe Energie eines Blitzes bringt die umliegende Luft zum Leuchten.

  Lösung

  Blitze sind Lichtbögen die entstehen, weil sich eine sehr hohe Spannung schlagartig über die Luft ausgleicht. Ein Blitz ist also ein sehr starker elektrischer Strom, der sich durch die Luft ausbreitet. Das Leuchten stammt von Luftmolekülen in der Umgebung des Blitzes, die durch die hohe Energie elektrisch angeregt werden. Zudem erhitzt der starke Stromfluss eines Blitzes die Luft in seiner Umgebung, sodass sich diese explosionsartig ausdehnt und den Donner erzeugt.

  Die Ursache für die starke Spannung, die den Blitz hervorruft, sind Ladungsunterschiede zwischen verschiedenen Wolkenteilen oder der Gewitterwolke und dem Erdboden. Da die Ladungsunterschiede vor allem zwischen verschiedenen Teilen einer Gewitterwolke auftreten, entladen sich die meisten Blitze auch innerhalb der Wolken. Lediglich 10 Prozent aller Blitze schlagen in den Erdboden ein.

• Arbeite die Definitionen der Begriffe heraus.

  Tipps

  Du kannst die Zeit zwischen dem Beobachten eines Blitzes und dem Hören eines Donners nutzen, um die Entfernung des Einschlagortes eines Blitzes zu bestimmen.

  Einige der ungewöhnlichsten Blitze entstehen in starken Stürmen, die man als rotierende Gewitter bezeichnet. Wie nennt man rotierende Gewitter noch?

  Lösung

  Wetterleuchten

  Ein Wetterleuchten kann den ganzen Himmel erhellen.

  Linienblitz

  Der Linienblitz zuckt in gezackten Linien über den Himmel.

  Superzelle

  Einige der ungewöhnlichsten Blitze entstehen in starken Stürmen, die man als Superzellen bezeichnet. Sie sind auch als rotierende Gewitter bekannt und können farbige Blitze erzeugen, die man Sprites nennt.

  Donner

  Der Donner ist ein Geräusch, das von einem Blitz erzeugt wird. Du kannst die Zeit zwischen dem Beobachten eines Blitzes und dem Hören eines Donners nutzen, um die Entfernung des Einschlagortes eines Blitzes zu bestimmen.

  Du kannst hierzu folgende Faustregel nutzen:

  Zähle, sobald du einen Blitz beobachtet hast, die Sekunden bis zum nachfolgenden Donner. Teile die Sekunden nun durch 3. Das resultierende Ergebnis gibt dir etwa die Entfernung (in Kilometern) zwischen dir und dem Einschlagort des Blitzes an.