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Blitz und Donner

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Blitz und Donner
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Grundlagen zum Thema Blitz und Donner

Inhalt

Gewitter – Physik

Besonders an warmen Sommertagen kommt es zum Abend hin häufig zu Gewittern. Doch wie entstehen Blitz und Donner? Und was genau ist ein Gewitter eigentlich? In diesem Text wird das Thema Gewitter aus der Physik auf einfache Weise erklärt.

Wie entstehen Blitze? – Physik

Der Blitz ist physikalisch gesehen ein kurzer, aber starker elektrischer Strom, der unterschiedliche elektrische Ladungen zwischen verschiedenen Wolken oder einer Wolke und der Erde ausgleicht. Blitze dauern weniger als eine Sekunde lang an. Sie besitzen dabei mittlere Stromstärken von $40\,000\,\pu{A}$. Die Ausdehnung von Blitzen variiert, beträgt jedoch meist $2$ bis $3\,\pu{km}$.

Blitze benötigen bestimmte Grundvoraussetzungen, um zu entstehen, weshalb sie besonders an heißen, schwülen Tagen auftreten. Dann steigt warme, feuchte Luft nach oben und kühlt sich dabei ab. Die kühlere Luft kann nicht mehr so viel Wasserdampf halten und so kondensiert dieser und es bilden sich Wassertropfen, aber auch Eiskristalle oder Hagelkörner. Durch verschiedene Wechselwirkungsprozesse, zum Beispiel Kollisionen zwischen den Eis- und Wasserteilchen, bekommen kleine Eisteilchen eine positive und große Niederschlagsteilchen eine negative Ladung. Die großen Niederschlagsteilchen sinken hinab, während die kleinen Eisteilchen durch Luftströmungen weiter aufsteigen. Somit entsteht im oberen Bereich der Wolke eine positive und im unteren Bereich eine negative Ladung. Es entsteht eine Ladungstrennung und somit ein Spannungsfeld innerhalb der Wolke sowie zwischen der Wolke und der Erdoberfläche.

Ist der Ladungsunterschied groß genug, so entsteht ein Blitz als Ladungsausgleich. Dieser Ladungsausgleich kann innerhalb der Wolke oder zwischen der Wolke und der Erdoberfläche stattfinden. Es entstehen während des Blitzes Temperaturen von bis zu $30\,000\,^\circ\pu{C}$. Es kommt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft um den Blitz herum. So entsteht das Geräusch, das wir Donner nennen.

Das Licht des Blitzes bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit $\left(300\,000\,\frac{\pu{km}}{\pu{s}}\right)$, wohingegen sich der Donner mit der viel langsameren Schallgeschwindigkeit $\left(340\,\frac{\pu{m}}{\pu{s}}\right)$ ausbreitet. Somit nehmen wir den Blitz meist lange vor dem Donner wahr. Umso näher wir uns am Ort des Blitzes befinden, desto kürzer ist der wahrgenommene Abstand zwischen Blitz und Donner.

Die meisten Blitze transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche. Diese Blitze werden negative Wolken-Erde-Blitze genannt. Es gibt jedoch auch positive Wolken-Erde-Blitze.

Was passiert bei einem Blitzeinschlag? – Physik

Ein Blitz schlägt auf der Erde vor allem in hohe Gegenstände wie Bäume oder hohe Dächer ein. An solchen exponierten Orten ist das elektrische Feld besonders stark. Die negativen Ladungsträger bewegen sich im sogenannten Leitblitz in Richtung Erde. Von der Erde aus kommt dem Leitblitz eine positive Ladung entgegen. Es kommt zu einer Entladung. Handelt es sich bei dem Gegenstand, in den der Blitz einschlägt, um einen Baum, so kann es passieren, dass ein Brand ausgelöst wird. Es kann jedoch auch nur zu kleineren Schäden am Baum kommen. Bei Gebäuden sorgen Blitzableiter dafür, dass größere Schäden verhindert werden.

Wie funktioniert ein Blitzableiter? – Physik

Bei einem Blitzableiter handelt es sich um einen dicken Kupferdraht an der Außenseite von Gebäuden. An seiner Spitze befindet sich ein zugespitzter Metallstab. Unter der Erdoberfläche ist er mit einer vergrabenen Bodenplatte verbunden. Die negative Ladung der Gewitterwolke sorgt für eine positive Ladung an der oberen Spitze des Blitzableiters, wodurch sich wiederum die Bodenplatte negativ auflädt. Kommt es zu einem Blitz in der Umgebung, so wird dieser von der positiv geladenen Spitze des Blitzableiters angezogen und durch den Kupferdraht in den Boden geleitet.

Warum ist man beim Gewitter im Auto sicher? – Physik

Der Physiker und Chemiker Michael Faraday aus England erkannte Anfang des 19. Jahrhunderts, dass ein Gehäuse aus Metall einen Blitz ableitet und nicht ins Innere weiterleitet. Autos und auch Flugzeuge verhalten sich bei Gewittern wie diese sogenannten faradayschen Käfige. Das gilt jedoch hauptsächlich für komplett geschlossene und stehende Autos. Ein offenes Fenster sowie die Elektronik im Auto können bei Gewittern eine Gefahr darstellen. Auch Piloten versuchen, so gut es geht, Gewitter zu meiden.

Wie entsteht ein Gewitter? – Kurzfassung

Besonders an warmen, feuchten Tagen entstehen Gewitter. Durch starke Reibungen zwischen den verschiedenen Teilchen in einer Wolke kommt es zu Ladungstrennungen. Der obere Teil der Wolke ist negativ geladen, während der untere eine positive Ladung aufweist. Ist der Ladungsunterschied groß genug, so kommt es zu einem Ladungsausgleich – der Blitz entsteht. Durch die explosionsartige Ausdehnung der Luft aufgrund der hohen Temperaturen rund um den Blitz kommt es zudem zum Donner. Da sich Licht und Schall verschieden schnell ausbreiten, nehmen wir den Blitz vor dem Donner wahr.
Zusätzlich zum Text und dem Video findest du hier auf der Seite noch Übungen und Arbeitsblätter mit Aufgaben zum Thema Gewitter – Physik. Hierzu sollte ein Physikreferat also kein Problem sein!

Transkript Blitz und Donner

Dunkle Wolken am Himmel, der Wind frischt auf, die Luft kühlt ab. Es sieht schwer nach einem Gewitter aus. Meistens entstehen sie in der warmen Jahreszeit. Und wohl jeder hat dabei schon einmal ein mulmiges Gefühl gespürt. Und doch ist man gleichzeitig fasziniert von dem Schauspiel am Himmel. Donner und Blitze sind Naturereignisse, die nicht Gottvater Zeus zu verdanken sind. Bereits 1752 entdeckte Benjamin Franklin, dass Blitze vielmehr durch gewaltige Energieentladungen in den Wolken entstehen. Schuld an einem Gewitter sind elektrisch geladene Teilchen. Das passiert im Detail: Wasser steigt in den Wolken nach oben. In den kühleren Luftschichten gefriert es. Die Eispartikel stoßen beim Herunterfallen mit den tieferen Wassertropfen zusammen. Eine Ladungstrennung ist die Folge. Innerhalb der Wolke entstehen zwei Pole unterschiedlicher Ladung. Unterschiedliche Ladungen gibt es auch auf dem Erdboden, aber die Natur ist stets bestrebt, solche Ladungsunterschiede auszugleichen. Das macht sie, indem Teilchen immer in die Richtung fließen, wo es weniger von ihnen gibt. So entsteht dann auch ein Blitz. Zuerst gibt es einen für unser Auge nicht sichtbaren Lichtblitz. Zur gleichen Zeit entsteht am Boden ein Überschuss an positiven Teilchen, hier grün dargestellt. Wenn der unsichtbare Blitz nahe genug an den Erdboden kommt, entsteht eine gewaltige Entladung. Sie ist so stark, dass sich ein Lichtbogen bildet. Das ist dann der Blitz, den wir sehen. Gleichzeitig heizt sich die Luft extrem auf. Sie dehnt sich aus, explodiert und knallt. Das ist der Donner, den wir hören. Blitze können unterschiedliche Farben haben. Das hängt von der Luftfeuchte, von der Temperatur und auch von der Luftverschmutzung ab. Ihr Licht kann je nachdem eher rötlich oder bläulich oder gelblich sein. Blitze sind das heißeste, was es auf der Erde gibt. Sie heizen nicht nur die Luft extrem auf, sondern transportieren auch enorm viel Energie. Sie haben eine Leistung von mehreren Hundert Milliarden Watt. Deshalb sind Blitzeinschläge auch so gefährlich. Nutzen und Speichern kann man die Energie der Blitze heute noch nicht. Was bleibt, ist vorerst nur die Faszination des Naturschauspiels Gewitter.

19 Kommentare

19 Kommentare
  1. Wow weiter so ☺️☺️☺️

    Von Wafaa Atassi , vor 10 Monaten
  2. ✌✌✌✌✌✌✌✌✌🏿

    Von Melis, vor 11 Monaten
  3. Nice

    Von Melis, vor 11 Monaten
  4. Wow toll

    Von Selma, vor 11 Monaten
  5. Dieses Video ist das gleiche wie das Video was Blitz heisst

    Von Ms125, vor mehr als einem Jahr
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Blitz und Donner Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Blitz und Donner kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme die Ladungsverteilung in einer Gewitterwolke.

    Tipps

    In einer Gewitterwolke bildet sich eine Ladungstrennung aus. Dabei entstehen zwei Pole.

    Wenn in der Wolke Eisteilchen und Wassertröpfchen aneinanderstoßen, nehmen die Eisteilchen meist negative Ladungen von den Wassertröpfchen auf.

    Lösung

    In einer Gewitterwolke herrschen Winde, die kleine Eispartikel und Wassertröpfchen durcheinanderwirbeln und bis zu $11$ Kilometer hoch in die Luft reißen können. Dort verbinden sich Tröpfchen miteinander und bilden größere Tropfen, die schließlich schwer genug werden, um gegen die Aufwinde nach unten zu fallen.

    In diesem wilden Durcheinander kollidieren die Wassertröpfchen und Eispartikel immer wieder miteinander und tauschen dabei Ladungen untereinander aus. Meist nehmen die größeren Wassertropfen Elektronen von den kleineren Tröpfchen auf und laden sich damit negativ auf, während die kleinen Tröpfchen mit den fehlenden Elektronen eine positive Ladung erhalten. So werden vorwiegend negative Ladungen nach unten und die positiven Ladungen nach oben transportiert.

    Auf diese Weise bilden sich verschiedene Ladungszonen in der Wolke aus. Insgesamt wird der obere Teil der Wolke sehr stark positiv und der untere Teil der Wolke eher negativ geladen. Blitze führen dann dazu, dass die Ladungsverteilung wieder ausgeglichen wird.

    Neueste Erkenntnisse aus der Forschung haben gezeigt, dass es in den meisten Gewitterwolken mehr als zwei Ladungszonen gibt. Beispielsweise bildet sich unter der negativ geladenen Zone meistens noch eine weitere Zone mit positiven Ladungen aus. Weil es schwierig ist, in einer Gewitterwolke Experimente durchzuführen, hat man bisher noch nicht genau verstanden, wie diese Ladungszonen entstehen.

  • Beschreibe den Ablauf des Blitzes.

    Tipps

    Bevor die starke Hauptentladung des Blitzes zu sehen ist, bildet der unsichtbare Blitz einen leitfähigen Kanal zur Erde.

    Die negative Ladung im unsichtbaren Blitz zieht die positiven Ladungen aus dem Erdboden an und bewirkt so eine Entladung.

    Lösung

    Durch die Ladungstrennung in einer Gewitterwolke ergibt sich eine hohe Spannung zwischen unterschiedlich geladenen Bereichen in der Wolke, aber auch zum Erdboden, der eigentlich elektrisch neutral ist. Während eines Gewitters kann die starke negative Ladung in der Wolke aber eine positive Ladung im Erdboden hervorrufen.

    Wenn die Spannung zwischen Erdboden und Wolke groß genug wird, beginnen einige negative Ladungen, von der Wolke in Richtung Erde zu fließen. Auf ihrem Weg ionisieren sie Luftmoleküle und bilden so einen leitfähigen Kanal durch die Luft. Dieser sogenannte Leitblitz ist sehr viel schwächer als die Hauptentladung des Blitzes und kaum mit bloßem Auge zu sehen. Er zeichnet den eigentlichen Blitz gewissermaßen vor und erzeugt dabei auch die Verästelungen des Blitzes.

    Wenn der Leitblitz nahe genug an den Erdboden herankommt, beginnen positive Ladungen, vom Erdboden aus nach oben zu fließen und damit eine sogenannte Fangentladung zu bilden, die ebenso einen leitfähigen Kanal erzeugt.

    Wenn sich die Fangentladung und der Leitblitz nun treffen, kann sich die Spannung zwischen der Wolke und dem Erdboden ausgleichen. Für sehr kurze Zeit fließt dann ein sehr starker elektrischer Strom zwischen der Erde und der Wolke. Dabei handelt es sich um die Hauptentladung. Der starke elektrische Strom heizt die umgebende Luft sehr schnell stark auf und bringt sie zur Explosion. Dies erzeugt den Donner.

    Während der leitfähige Kanal noch intakt ist, kommt es nach einer kurzen Erholungspause meist zu weiteren Entladungen. Etwa vier bis fünf Entladungen bilden einen Blitz.

  • Erschließe die unterschiedlichen Blitzarten.

    Tipps

    Ob ein Blitz als positiv oder negativ bezeichnet wird, hängt davon ab, von welchem Teil der Wolke er ausgeht.

    Erde-Wolke-Blitze schlagen von erhöhten Punkten auf der Erde in die Wolken.

    Die Richtung des Blitzes kannst du an den Verästelungen des Blitzes sehen.

    Lösung

    Etwa $90$ Prozent aller Blitze sind Wolkenblitze, oder Wolke-Wolke-Blitze, die nur innerhalb einer Gewitterwolke schlagen und dort direkt für einen Spannungsausgleich zwischen verschiedenen Ladungszonen sorgen. Wenn ein solcher Blitz von einer positiv geladenen Zone in der Wolke ausgeht, spricht man von einem positiven Wolkenblitz, andernfalls von einem negativen Wolkenblitz.

    Nur etwa $10$ Prozent aller Blitze sind Erdblitze, die zwischen Erde und Wolke schlagen. Dabei geht der Blitz meistens als Wolke-Erde-Blitz von der Wolke aus. Es kann aber auch passieren, dass der Leitblitz von der Erde ausgeht und einen sogenannten Erde-Wolke-Blitz bildet. Dies passiert insbesondere bei hohen Gebäuden oder Bergen, weil die Ladungen in der Gewitterwolke in solchen erhöhten Plätzen eine besonders hohe elektrische Feldstärke erzeugen. Da der Leitblitz bei einem Erde-Wolke-Blitz von unten nach oben verläuft, kannst du ihn daran erkennen, dass auch die Verästelungen des Blitzes nach oben zeigen.

    Die meisten Erdblitze gehen von der Unterseite der Wolke aus und sind daher negative Wolke-Erde-Blitze oder negative Erde-Wolke-Blitze. Etwa $5$ Prozent aller Erdblitze gehen jedoch von der positiv geladenen Oberseite einer Gewitterwolke aus. Diese positiven Erdblitze sind zwar sehr selten, aber auch besonders gefährlich, da sie bis zur zehnfachen Stromstärke eines negativen Erdblitzes erzeugen können. Zudem ist die Reichweite eines positiven Erdblitzes viel höher, sodass er sogar zehn Kilometer oder noch weiter von der Gewitterwolke entfernt einschlagen kann.

  • Beschreibe das Gewitter.

    Tipps

    In Mitteleuropa erreichen Cumulonimbuswolken eine Höhe von ca. $11$ Kilometern. In Afrika türmen sie sich sogar etwas höher auf.

    In einer Gewitterwolke kommt es zu einer Ladungstrennung, sodass es Zonen positiver und negativer Ladungen gibt.

    Lösung

    Eine Gewitterwolke bezeichnet man in der Wissenschaft als Cumulonimbus, dies kommt von den lateinischen Begriffen cumulus (Anhäufung) und nimbus (Regenwolke). Cumulonimbuswolken erreichen in Mitteleuropa etwa eine Höhe von $11$ Kilometern über dem Erdboden. In tropischen Gebieten können sie sich aber bis zu $13$ Kilometer hoch auftürmen. Ihre Basis befindet sich dabei tatsächlich nur etwa $500$-$2000$ Meter über dem Erdboden.

    Durch die elektrostatischen Ladungen in einer Gewitterwolke entstehen Spannungen, die bis zu einer Milliarde Volt betragen können. Die größte jemals gemessene Spannung in einer Gewitterwolke betrug 2014 sogar $1,3$ Millarden Volt. Wenn sich die Spannung durch einen Blitz entlädt, fließen die Ladungen sehr schnell und die elektrische Stromstärke erreicht im Mittel etwa $20. 000$ Ampere. Insbesondere die starken positiven Erdblitze erreichen sogar bis zu $400. 000$ Volt.

    Der hohe Stromfluss des Blitzes gibt auch eine große Wärmeenergie an die umgebende Luft ab und erwärmt diese auf bis zu $3000^\circ\text{C}$. Die Luft dehnt sich daraufhin explosionsartig aus und erzeugt den Donner.

  • Beschreibe das Gewitter.

    Tipps

    Die Luftfeuchte, die Temperatur und die Luftverschmutzung haben einen Einfluss auf die Farbe des Blitzlichtes.

    Blitze sind das Heißeste, das es auf der Erde gibt.

    Lösung

    Gewitterwolken oder auch Cumulonimbuswolken türmen sich bis zu $13$ Kilometer hoch auf. Während in der Wolke Eispartikel und Wassertröpfchen durcheinanderfliegen, tauschen sie Ladungen aus und erzeugen so verschiedene Ladungszonen in der Wolke, zwischen denen sich eine elektrische Spannung ausbildet. Durch Blitze gleichen sich diese Spannungen wieder aus. Sie haben eine Leistung von mehreren hundert Milliarden Watt. Deshalb sind Blitzeinschläge auch so gefährlich.

    Weil die größten Ladungsunterschiede innerhalb einer Gewitterwolke auftreten, entstehen auch die meisten Blitze innerhalb einer Wolke. Lediglich etwa $10$ Prozent aller Blitze schlagen in die Erde ein. Besonders stark und gefährlich sind dabei die positiven Erdblitze, die von der positiv geladenen Oberseite einer Wolke in die Erde einschlagen.

    Blitze schlagen vor allem in hohe Gebäude, Bäume oder Berge ein.

    Blitze können unterschiedliche Farben haben. Das hängt von der Luftfeuchte, von der Temperatur und auch von der Luftverschmutzung ab. Ihr Licht kann daher eher rötlich, bläulich oder gelblich sein.

  • Prüfe die Aussagen auf Richtigkeit.

    Tipps

    Alles, was wir hören, breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus.

    Es gilt:

    • Lichtgeschwindigkeit: etwa $300.000\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$
    • Schallgeschwindigkeit: etwa $343\ \frac{\text{m}}{\text{s}}$

    Gewitter, also Blitze und Donner, sind unvermeidbare Wettererscheinungen.

    Lösung

    Gase dehnen sich bei Temperaturerhöhung aus. Daher weitet sich die Luft in der Nähe eines Blitzes sehr stark aus. Dadurch kommt es zu einem Druckanstieg, der sich als Schallwelle ausbreitet und als Donner zu hören ist. Donner besteht also aus Schallwellen, die durch einen Blitz entstehen.

    Da Schall und Licht unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, nimmt man den Blitz in der Regel vor dem Donner wahr. Das liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist.

    Es gilt:

    • Lichtgeschwindigkeit: etwa $300.000\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$
    • Schallgeschwindigkeit: etwa $1236\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$
    Würde man also mitten im Gewitter stehen, würde man Blitz und Donner gleichzeitig wahrnehmen.

    Gewitter, also Blitze und Donner sind unvermeidbare Wettererscheinungen. Die Natur ist nämlich stets bestrebt, Ladungsunterschiede auszugleichen, indem Teilchen immer in die Richtung fließen, in der es weniger von ihnen gibt.

    Blitze haben eine Leistung von mehreren hundert Milliarden Watt. Nutzen und Speichern kann man die Energie der Blitze heute noch nicht.

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