Blitz und Donner

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!