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.
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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 bestimmende 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. Die Gewitterwolke hat daher eine Ladungsverteilung die in erster Näherung einem Dipol entspricht. An der Wolkenuntergrenze finden sich meist noch geringe Mengen positiver Ladung.
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.
Jeder Blitz besteht einerseits aus einem Leitblitz (Leader), der von der Wolke zur Erde vorwächst und einer Hauptentladung (Return Stroke), die ausgehend vom Einschlagspunkt am Boden in Richtung Wolke erfolgt.
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 m/µs bis 3 m/µs beobachtet wird. Die Pausenzeiten zwischen den Ruckstufen liegen im Bereich von 37 µs bis 124 µs. Der Leitblitz bei Folgeblitzen wächst eher kontinuierlich in Richtung Erde in dem bereits vorbereiteten Blitzkanal und wird daher als "Dart Leader " bezeichnet. Der wesentliche Unterschied ist, dass der Leader beim Erstblitz eine elektrische Entladung in normaler Luft darstellt, wohingegen der Dart Leader einen bereits vom Erstblitz ionisierten Kanal vorfindet. Manchmal wird auch der Wechsel von einem Dart- zu einem Stepped-Leader beobachtet und in diesem Fall als Dart-Stepped-Leader bezeichnet.
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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 1.000 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 der nebenstehenden Abbildung sind die drei wesentlichen Phasen der Blitzentladung schematisch dargestellt.
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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