Die Erde bildet mit der Ionosphäre — eine Schicht der Atmosphäre in ca. 60 km Höhe — einen elektrisch geladenen Kugelkondensator. Die Potentialdifferenz von ca. 300.000 Volt zwischen dem Erdboden und der Ionosphäre ist Ursache für die so genannte "Schönwetterfeldstärke" von 120 V/m an der Erdoberfläche. Wie der Name sagt, ist diese elektrische Gleichfeldstärke auch bei Schönwetter vorhanden.
Dieser riesige Kondensator würde sich ohne ständiges Nachladen in kürzester Zeit (weniger als einer Stunde) entladen, da die Atmosphäre — die Schicht zwischen der positiv geladenen Ionosphäre und der negativ geladenen Erdoberfläche — kein perfekter Isolator ist.
Die weltweit aktiven Gewitter sind der elektrische Generator, der diesen Kugelkondensator ständig nachlädt.
Voraussetzung für die Bildung von Gewitterwolken ist, dass feuchte, warme Luftmassen in große Höhen transportiert werden. Warme Luft ist leichter als kalte Luft (deshalb fährt ein Heißluftballon). Mit zunehmender Höhe sinken die Temperatur und der Druck ab.
In einer „stabilen Luftschicht” herrscht eine Temperaturabnahme von weniger als 1 °C pro 100 m Höhenzunahme - in einer so genannten „labilen Luftschicht” nimmt die Temperatur um mehr als 1 °C pro 100 m ab. Durch die Druckabnahme expandiert die feuchte Luft und diese Expansion hat eine Abkühlung zur Folge. Damit das „Packet” warmer Luft immer weiter nach oben steigt, muss es immer leichter (d. h. wärmer) bleiben als die Umgebung. Das bedeutet, die Temperatur der Umgebung muss mit der Höhe rascher abnehmen, als die Temperatur der feuchten Luft durch Expansion absinkt. Durch das Auskondensieren der Feuchtigkeit (Quellwolkenbildung) wird Wärme freigesetzt, weshalb die aufsteigende Luftmasse langsamer abkühlt.
Nur bei Vorhandensein dieses „labilen” Zustandes der Atmosphäre kommt es zur Gewitterbildung.
Als Auslöser für den vertikalen Transport feuchter Luftmassen kommen grundsätzlich drei Mechanismen in Frage, wobei anzumerken ist, dass je nach Wetterlage und Region häufig eine Kombination der einzelnen Mechanismen zum Tragen kommt:
Die genauen Vorgänge, die zur elektrischen Aufladung einer Gewitterwolke führen, sind bis heute nicht vollständig geklärt. In der Fachliteratur ist eine Vielzahl von Hypothesen zu diesem Thema zu finden. Grundsätzlich ist zwischen einer „mikroskopischen Ladungstrennung” und einer „makroskopischen Ladungstrennung” zu unterscheiden.
Die Erzeugung von elektrisch positiv oder negativ geladenen Partikeln in der Wolke dürfte primär durch den Zusammenstoß von Eiskörnern (Graupel) und Wassertropfen erfolgen. Innerhalb der Gewitterwolke herrschen Aufwinde mit Geschwindigkeiten von über 100 km/h. Die leichten kleinen Wassertröpfchen werden von den Aufwinden nach oben getragen, während die schweren Eiskristalle oder Graupel aus den Zonen mit Temperaturen von -30 °C bis -50 °C nach unten fallen und mit den Wassertröpfchen zusammenstoßen.
Wieso letztendlich der Großteil der pos. geladen Wassertröpfchen im oberen Bereich (8 km - 12 km) der Gewitterwolke landet und die neg. geladenen Partikel im unteren Bereich (3 km - 6 km Höhe) ist eine nicht gänzlich geklärte Frage. In den einzelnen Hypothesen spielen Gravitation, Erdmagnetfeld, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur, Teilchengröße, Teilchenladung und Gewicht etc. mehr oder weniger wichtige Rollen.
Lange Zeit wurde die klassische Gewitterwolke mit einer Dipol-ähnlichen Ladungsstruktur dargestellt. Dabei geht man von einer positiven Ladungszone im oberen Bereich (6 km - 12 km) und einer negativen Ladungszone im unteren Bereich der Wolke aus. Zusätzlich wurde eine schwach positiv geladene Schicht im untersten Bereich der Gewitterwolke beobachtet.
Große Messkampagnen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die Ladungsstruktur einzelner Gewitterwolken scheinbar viel komplexer ist, als bisher angenommen. Zusätzliche Ladungsschichten sowie einzelne vollständig invertierte Ladungsverteilungen (positiv unten und negativ oben) wurden beobachtet.
Mitte des 18. Jahrhunderts wurden in der die Wissenschaft erste Fortschritte in der Ergründung des Phänomens „Elektrizität” gemacht. Man benutzte bereits Elektrisiermaschinen, Kondensatoren (Lydener Flaschen) usw. Benjamin Franklin wollte den Nachweis erbringen, dass Gewitterwolken elektrisch geladen sind und daher die Blitze ein Phänomen der Elektrizität sind. Im Jahr 1752 ließ B. Franklin seinen berühmten Drachen während eines Gewitters steigen. Er konnte einen mehrere Zentimeter langen elektrischen Funken zwischen seinen Fingerknöcheln und einem Schlüssel erzeugen, der am Ende der elektrisch leitenden Drachenschnur befestigt war. Damit war klar, dass Gewitter eine Erscheinungsform elektrischer Ladungsvorgänge sind.
Die Wiederholung dieses Drachenexperimentes kostete in der Folge mehreren Menschen das Leben. Schlägt nämlich ein Blitz in die leitende Drachenschnur ein, bedeutet dies mit hoher Wahrscheinlichkeit den Tod des Drachenfliegers.
Beim Aufbau einer Gewitterwolke wird mehr und mehr elektrische Ladung in der Wolke angesammelt. Daraus resultierend tritt eine elektrische Feldstärke auf, ähnlich der Feldstärke zwischen der positiv und negativ geladenen Elektrode eines Kondensators. Unter einer Gewitterwolke wird am Boden eine Feldstärke zwischen 5 kV/m und 10 kV/m gemessen.
Übersteigt die lokale Feldstärke in der Wolke lokal die so genannte „Durchbruchsfestigkeit” der Luft, kommt es in Form eines großen elektrischen Funkens, dem Blitz, zum Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Ladungszentren innerhalb der Wolke (Wolke-Wolke-Blitz) oder der Wolke und der Erde (Wolke-Erde-Blitz).
Wetterleuchten ist ein Begriff für die Erscheinungen, wenn Gewitter aus größerer Entfernung beobachtet werden. Im Vergleich zum Donner, der in der Regel nur bis zu Entfernungen von 10 km - 20 km zu hören ist, können Blitze vor allem bei Nacht auf Distanzen von bis zu 100 km beobachtet werden. Die Blitze innerhalb der Gewitterwolke führen oftmals zu einem großflächigen Aufleuchten des gesamten Wolkenturmes, ohne dass der schmale Blitzkanal selbst erkennbar wäre.
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