Forschung

Physik der Blitzentladung

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.

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.

Blitzentladung

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.

 

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