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 < -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

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