Sonntag, 20. Oktober 2019

Blitz und Donner

Kreis Holzminden (27.05.19). Vor der Zeit der Aufklärung waren Blitz und Donner unerklärbare Phänomene, die mangels besseren Wissens auf das Wirken höherer Mächte zurückgeführt wurden. Sowohl Zeus bei den Griechen als auch Jupiter bei den Römern waren die Herren über die Naturgewalten und damit auch über den Einsatz von Blitzen, die sie mit bloßen Händen schleudern konnten. Besonders ausgeprägt war dieser Kult bei den Germanen, die den Namen des Gottes Donar/Thor  vom Wort Donner ableiteten.

Thor rollt mit seinem Wagen, der von zwei Ziegenböcken gezogen wird, donnernd über die Wolken. Seine Kraft bezieht er aus dem Gürtel Megingjarder und mit seinem Hammer Mjölnir erzeugt er Blitze, mit denen er seine Feinde vernichtet.

Auch der Gott der Bibel setzt gerne Blitz und Donner ein, hier nur ein Beispiel von vielen (Hiob 36,32-33und 37,1-5): „Er bedeckt seine Hände mit Blitzen und bietet sie auf gegen den, der ihn angreift. Ihn kündet an sein Donnern, wenn er mit Zorn eifert gegen den Frevel. Darüber entsetzt sich mein Herz und fährt bebend hoch. O hört doch, wie sein Donner rollt und was für Gedröhn aus seinem Munde geht! Er lässt ihn hinfahren unter dem ganzen Himmel und seinen Blitz über die Enden der Erde. Ihm nach brüllt der Donner, und er donnert mit seinem großen Schall; und wenn sein Donner gehört wird, hält er die Blitze nicht zurück. Gott donnert mit seinem Donner wunderbar und tut große Dinge, die wir nicht begreifen“.

Besser begreifen können wir allerdings die Vorgänge in der Natur mit Hilfe der Naturwissenschaften, speziell mit der Physik. Bereits im 18. und 19. Jahrhundert haben kluge Köpfe grundlegende Forschungen betrieben, denen wir heute nicht nur ein tiefes Verständnis von Blitz und Donner, sondern auch unseren Lebensstandard verdanken.

Physikalische Grundlagen

Heute wissen wir, dass es sich bei einem Blitz um einen „elektrischen“ Vorgang handelt.

Warme und feuchte Luft steigt unter geeigneten Bedingungen nach oben. Die Temperatur nimmt mit zunehmender Höhe ab, so dass aus dem aufsteigenden Gemisch aus Luft und Wasserdampf durch sogenannte Kondensation sehr viele kleine Wassertropfen entstehen. Es entsteht ein Nebel, der von der Erde aus gesehen eine Wolke bildet. Der Kondensationsvorgang setzt Wärme frei, so dass die Wolke bei günstigen Bedingungen nach oben hin wächst. In großer Höhe ist es so kalt, dass sich aus den Wassertropfen Eiskristalle bilden. Die Wolke kann 12 bis 18 km hoch werden und sich am oberen Ende abflachen. Diese ambossförmige Gestalt ist die typische Gewitterwolke (Cumulonimbus), die uns Blitz und Donner beschert.

Im Inneren der Gewitterwolke ist der Teufel los. Es entstehen starke Auf- und Abwinde mit hoher Turbulenz. Deshalb machen Flugzeuge einen großen Bogen um Gewitterwolken. Als Folge der Bewegungen im Inneren mit Reibung und Zerstäubung kommt es zu einer Trennung von elektrisch positiven und negativen Ladungen. Im Endeffekt laden sich die oben befindlichen Eiskristalle positiv und die unten befindlichen Wassertropfen negativ auf. Auch heute noch sind die detaillierten Vorgänge im Wolkeninneren Gegenstand der Forschung.

Der Überschuss an negativer Ladung im unteren Wolkenteil verdrängt die negativen Ladungen auf der Erdoberfläche, so dass diese sich lokal positiv auflädt (Influenz).  Als Folge resultiert ein gewaltiges Ungleichgewicht in der Verteilung der Ladungen, einmal im Inneren der Wolke zwischen unten und oben und einmal zwischen Wolkenunterseite und Erdoberfläche. Dieses Ungleichgewicht drängt nach einem Ausgleich. Das ist der Blitz!

Sehr stark vereinfacht ist der Blitz ein elektrischer Strom, der sich einen Weg durch die schlecht leitende Luft bahnt.

Aber ganz so einfach ist die Sache nicht. Ein Leitblitz aus negativen Ladungen versucht stoßweise, sich einen Weg nach unten zu bahnen. Von exponierten Stellen der Erdoberfläche aus wächst ein Vorblitz aus positiven Ladungen, eine sogenannte Fang-entladung, nach oben dem Leitblitz entgegen. Schließlich verbinden sich Leit- und Vorblitz und damit ist ein Weg geschaffen. Jetzt entlädt sich der Blitz mit Urgewalt über diesen Kanal, wobei es auch zu mehreren Entladungen kommen kann. Das ist das Flackern, das man beobachten kann. Innerhalb des Entladungskanals, der nur einen Durchmesser von einem Zentimeter aufweist, entstehen in kürzester Zeit Temperaturen von einigen 10.000 Grad Celsius. Die Luft dehnt sich stoßartig aus und sendet Stoßwellen aus, die wir als Donner wahrnehmen. Das Grollen und Nach-grollen entsteht durch vielfache Reflektionen der Schallwellen am Boden und anderen Wolken. Da die Schallgeschwindigkeit in Luft bekannt ist, kann man leicht die Entfernung zum Blitz aus der Zeitverzögerung zwischen Blitz und erstem Donner berechnen. In erster Näherung braucht man nur die Zeitverzögerung in Sekunden durch drei zu teilen und erhält die Entfernung in Kilometern.

Das helle Leuchten des Blitzes kommt aus der Tatsache, dass der Blitzentladungsstrom die Luftmoleküle ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre in einen sogenannten Plasmazustand zwingt, der mit einer grellen Lichtemission einhergeht.

Gefahren bei Gewitter

Von erhöhten Stellen geht also ein Fangblitz aus positiven Ladungen nach oben und fängt quasi den eigentlichen Hauptblitz ein. Der Blitz schlägt dann in den erhöhten Punkt ein. Deshalb ist die Nähe zu exponierten Stellen besonders gefährlich.

Vor der wissenschaftlichen Aufklärung war es üblich, bei Gewitter die Kirchenglocken zu läuten, wohl um den göttliche Zorn zu besänftigen und die Gemeinde vor Gewitterschäden zu bewahren. Der Astronom und Mathematiker Johann Nepomuck Fischer veröffentlichte daher im Jahr 1784 eine Abhandlung über die damit einhergehende Gefahr. Er zitiert das Ergebnis einer Untersuchung: „Überhaupt hat ein Naturforscher nachgerechnet, daß binnen 33 Jahren der Blitz in 368 Kirchenthürme, worinnen das leidige Wettergeklingel getrieben wurde, eingeschlagen, und zusammen 103 Personen im Glockhause getödtet habe“

Der Mechanismus ist uns nun klar: Die Kirchtturmspitzen sind die höchsten Punkte in den Dörfern, von ihnen gehen die Fangentladungen aus, die den Blitz in den Kirchturm einleiten. Die Glocken aus Metall nehmen den Blitz bereitwillig auf und leiten einige 10.000 Ampere über das Glockenseil nach unten, wo am unteren Ende der unglückselige Glöckner die letzte Verbindung zur Erde herstellt. Der Blitzstrom nimmt den Weg über den Glöckner zum Boden. Dabei fließt der Großteil über die Körperoberfläche und verbrennt die Kleidung. Ein kleinerer Teil  fließt durch den Körper und kann zu Herzstillstand, Gehirnschäden,  Atemstillstand und zum Tod führen.

Ein lebensgefährliches Experiment regte einer der späteren Gründerväter der USA, Benjamin Franklin, an. Er war vor seiner politischen Laufbahn von elektrischen und elektrostatischen Phänomenen fasziniert. Er hatte die elektrische Natur der Blitze erkannt und schlug vor, diese mit einem Drachen einzufangen.

Es ist nicht sicher, ober er das Experiment zusammen mit seinem Sohn tatsächlich durchgeführt hat – es ist aber eine schöne Geschichte.

Wäre das Experiment erfolgreich gewesen und hätte es tatsächlich stattgefunden, so hätte er wahrscheinlich seinen Sohn umgebracht.

Erreicht ein Blitz den Boden, so fließen die Elektronen strahlenförmig nach außen ab. So kommt es, dass auch noch in der Nähe des Einschlagpunktes Gefahr besteht. Liegt ein Mensch auf dem Boden in Richtung Einschlagspunkt, so nimmt der elektrische Strom seinen Weg zumindest teilweise durch den Körper und führt auf diese Weise zu Schäden. Schon die Spannungsdifferenz der Schrittlänge eines stehenden Menschen kann gefährlich sein.

Nimmt der Blitz seinen Weg zum Boden über einen Baum oder eine feuchte Wand, so verdampft das enthaltende Wasser schlagartig und sprengt Rinde oder Mauerteile ab. Auch diese Effekte können zu Verletzungen führen.

Im Auto ist man relativ sicher. Die Blechkarosserie wirkt wie ein Käfig, der den Blitz um die Insassen herumleitet. Trotzdem ist es empfehlenswert, bei starkem Gewitter anzuhalten, um Gefährdungen durch starken Regen oder umstürzende Bäume aus dem Wege zu gehen. Außerdem kann die Elektronik beschädigt werden. Auch im Inneren eines Flugzeuges besteht durch einen einschlagenden Blitz nur wenig Gefahr. Es sind hier eher Sekundäreffekte wie starke Turbulenzen, die unangenehm werden können.

Golf- und Fußballplätze sind gefährlich, da die Spieler auf dem Feld die höchsten Erhebungen darstellen, gleiches gilt für Jäger auf Hochsitzen.

Besonders kritisch sind Aktivitäten am und im Wasser. Wasser ist ein guter elektrischer Leiter und kann einen Schwimmer auch in einiger Entfernung vom Bitzeinschlagspunkt noch gefährden.

Verhalten bei Gewitter

Da wir nun die grundlegenden Mechanismen kennen, sind Schutzmaßnahmen leicht zu erklären. Hier die wichtigsten in loser Reihenfolge:

! Schutz von Gebäuden oder Dächern aufsuchen

! Aufenthalt im Freien möglichst vermeiden

! Keinesfalls Schutz unter Bäumen suchen

! Wenn es nicht anders geht, hinhocken und Füße geschlossen halten

! Exponierte Stellen meiden, keinesfalls selbst den höchsten Punkt darstellen

! Abstand zu Stahlkonstruktionen und feuchten Wänden halten

! Wasser grundsätzlich meiden

! In Gebäuden ohne Blitzschutz: Abstand zu allen metallischen Leitungen halten. Nicht duschen oder baden. Nicht mit dem Festnetztelefon telefonieren. Bei elektrischen Geräten Stecker ziehen. Handys und Schnurlostelefone stellen keine Gefahr dar.

! Abstand zu Bäumen: 10 m, mit geschlossenen Füßen hinhocken

! Im Auto droht keine Gefahr, trotzdem langsam fahren oder anhalten

! Ein Zelt stellt keinen Schutz dar, in der Mitte hinhocken auf Isomatte mit geschlossenen Füßen, Abstand zu Zeltstangen halten

Im Vergleich zum Straßenverkehr mit 3200 Toten kommen pro Jahr in Deutschland nur etwa acht Menschen durch Blitzschlag ums Leben.

Ausblick

Wahrscheinlich werden wir uns an stärkere und häufigere Gewitter gewöhnen müssen. Mit dem Klimawandel werden die Temperaturen steigen, damit wird mehr Wasser verdampfen und die Thermik stärker werden. Das sind genau die Zutaten für mehr Gewitter. Bei einem Anstieg der Temperatur um 2 Grad wird  im Mittel mit 25 % mehr Gewittern gerechnet.

Vielleicht verdanken wir  letztlich sogar unsere Existenz der Urgewalt der Blitze.  Im Jahr 1953 konnte der junge nordamerikanische Chemiestudent Stanley Lloyd Miller aus kochendem Wasser, dem er  Methan, Ammoniak und Wasserstoff zusetzte, mit Hilfe von Funken Aminosäuren erzeugen. Diese sind die Grundbausteine des Lebens.  Die Funken simulierten hier den Effekt von Blitzen. Es bleibt die Faszination, die Blitz und Donner auf uns ausüben. Mit Hilfe der Erkenntnisse der Naturwissenschaften müssen wir jedoch nicht mehr den Zorn der Götter fürchten, sondern können die Phänomene weitgehend erklären und uns wirksam schützen. (Norbert Kalkert)

Weiterführende Literatur:

Titz, Sven: Wie entstehen Gewitterblitze? Welt der Physik, 2006. Quelle: www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/gewitterblitze/

VdE e. V. (Herausgeber): Blitze: So können Sie sich schützen. Quelle: www.vde.com/de/blitzschutz/arbeitsgebiete/vor-blitzen-schuetzen/

Paetsch, M.: Blitze: wenn der Himmel explodiert. Geo-Kompakt Nr. 19-06/09. Quelle: https://www.geo.de/natur/6372-rtkl-blitze-wenn-der-himmel-explodiert