Die Blitzentladung
hat ihren Ursprung in der elektrisch geladenen Gewitterwolke,
wobei der genaue Mechanismus der Ladungstrennung innerhalb
der Gewitterwolke bis heute nicht vollständig geklärt
ist. Im wesentlichen wird zwischen der mikroskopischen Ladungstrennung
an den Niederschlagspartikeln und der makroskopischen Ladungstrennung
innerhalb der Gewitterwolke unterschieden. Es wird davon ausgegangen,
dass in der Wolke zwei Ladungszentren vorliegen, wobei in
den oberen Regionen der Wolke positive Ladungen auf Eiskristallen
und in den unteren Regionen negative Ladungen auf Wassertröpfchen
zu finden sind. An der Wolkenuntergrenze finden sich meist
noch geringe Mengen positiver Ladung. Abb.1 zeigt schematisch
die Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke.
Abb.1: Typische Ladungsverteilung innerhalb einer Gewitterwolke
Eine
übliche Einteilung der Blitzentladungen erfolgt nach
der Polarität der vom Blitz aus der Wolke abgeführten
Ladung und nach der Vorwachsrichtung des Leitblitzes, der
im folgenden noch näher beschrieben wird. Diese Form
der Einteilung wurde von einem der Pioniere der moderneren
Blitzforschung, Prof. BERGER, vorgeschlagen. Die am ausführlichsten
untersuchte Entladungsform stellt der negative Wolke-Erde
Blitz (negativer Abwärtsblitz) dar, da mehr als 90% aller
Blitze diesem Typus entsprechen und diese Form der Entladung
daher auch für Fragen des Blitzschutzes grundlegende
Bedeutung hat.
Der negative
Abwärtsblitz wird häufig eingeleitet durch sogenannte
Vorentladungen innerhalb der Gewitterwolke. Auch wenn über
den genauen physikalischen Vorgang und die Lokalisierung der
genannten Vorentladungen noch Unklarheit herrscht, so wird
angenommen, dass durch diese Vorentladungen Ladungsverschiebungen
innerhalb der Wolke stattfinden. Diese Ladungsverschiebungen
dürften ihrerseits zu einer entsprechenden Ladungskonzentration
und in der Folge zur Initialisierung des ersten Leitblitzes
(engl. Stepped Leader) führen.
Der erste
Leitblitz wächst mit mehr oder weniger starker Verästelung
in Ruckstufen von der Wolke in Richtung Erde (abwärts),
wobei die einzelnen Stufen Längen von 10 m bis 200 m
aufweisen und eine mittlere Vorwachsgeschwindigkeit von 0,1
bis 3 m/µs beobachtet wird. Die Pausenzeiten zwischen
den Ruckstufen liegen im Bereich von 37 bis 124 µs.
Nähert sich der negativ geladene Leitblitzschlauch dem
Erdboden, so steigt dadurch an der Spitze exponierter Objekte
(Türme, Bäume, Häuser, u.ä.m.) die elektrische
Feldstärke rasch an, bis die Durchbruchfeldstärke
von Luft überschritten wird. In der Folge starten von
diesen Objekten Fangentladungen, die dem "Kopf"
des Leitblitzes entgegenwachsen. Es ist dabei durchaus möglich,
dass gleichzeitig Fangentladungen von mehreren Objekten ausgehen.
Der tatsächliche Einschlagspunkt am Boden wird durch
jene Fangentladung bestimmt, die als erstes mit dem Leitblitzkopf
zusammentrifft und damit eine durchgehende Verbindung zwischen
dem geladenen Leitblitzschlauch und dem Erdboden herstellt.
Die Länge dieser Fangentladungen, auch als Enddurchschlagstrecke
bezeichnet, liegt im Bereich von einigen 10 m. Sowohl theoretische
Überlegungen als auch Experimente zeigen, dass die Länge
der Fangentladung mit steigender Blitzstromamplitude zunimmt.
Die Enddurchschlagstrecke ist von grundlegender Bedeutung
für die Dimensionierung von Blitzschutzanlagen. Das sogenannte
"Blitzkugelverfahren" zur Bestimmung des Schutzbereiches
von Fangvorrichtungen einer Blitzschutzanlage basiert auf
dem genannten Zusammenhang zwischen Ladungskonzentration im
Leitblitzkanal und der daraus resultierenden Länge
der Fangentladung.
Nach
dem Zusammentreffen von Leitblitzkopf und Fangentladung beginnt
die Hauptentladung (engl. Return Stroke), jener Prozess, der
schlechthin als Blitz bezeichnet wird. Sie nimmt ihren Ausgang
am Einschlagpunkt und pflanzt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit
von 130 m/µs in Richtung Wolke fort. Am Einschlagspunkt
tritt der bekannte impulsförmige Strom mit einer Amplitude
von einigen 1000 A bis zu einigen 100.000 A auf.
Die mittlere Anstiegszeit des Stromes vom 2 kA Wert bis
zum Maximalwert liegt bei 5,5 µs. Während
der Hauptentladung wird in erster Linie die im Leitblitzschlauch
gespeicherte negative Ladung zur Erde abgeführt. In Abbildung
2 sind die drei wesentlichen Phasen der Blitzentladung schematisch
dargestellt.
Abb.
2: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung
A: Leitblitz B: Fangentladung C: Hauptentladung
Der Energieumsatz
im hell aufleuchtenden Blitzkanal führt zu einer Aufheizung
auf eine Temperatur von ca. 30.000° K und damit zu
hohem Überdruck, der sich in Form einer Stoßwelle,
dem Donnerknall, ausgleicht.