Wie entstehen Gewitterblitze?

Ein Gewitter mit Blitz und Donner erschreckt und fasziniert uns zugleich. Die wichtigsten Zutaten für Gewitterwolken sind Hitze und Wasserdampf, doch wodurch entstehen Gewitterblitze und wie finden sie ihren Weg zur Erde?

Nachthimmel mit Wolken wird durch einen starken Blitz erhellt, der in den Berliner Fernsehturm einschlägt.
Blitz über Berlin

Gewitter bilden sich, wenn warme, feuchte Luftmassen zusammenströmen und aufsteigen. Kondensiert der Wasserdampf in der Luft, so entwickelt sich zunächst eine Haufenwolke (Cumulus = Haufen). Falls die äußeren Bedingungen günstig sind, strömt die schwüle Luft weiter in die Höhe, und die Cumuluswolke wird zum Cumulonimbus – zum Gewitter. Der Wolke wächst dann ein ambossförmiges „Dach“, das aus winzigen Eiskristallen besteht. Je nachdem, ob wir uns in den mittleren Breiten oder in den Tropen befinden, kann die Höhe eines Cumulonimbus zwischen 12 und 18 Kilometer erreichen.
Beim Sich-Auftürmen der Gewitterwolke trennen sich in ihrem Innern die Ladungen durch Reibung und Zerstäuben der Wasserteilchen: Die Eiskristalle laden sich positiv auf, die Tropfen negativ. Dadurch entsteht im kalten oberen Teil der Wolke ein Gebiet positiver Ladung, während nahe dem Boden negative Ladung überwiegt.

Das elektrische Feld wächst so lange, bis die Spannung mehrere hundert Millionen Volt beträgt. Schließlich überschreitet die Feldstärke eine kritische Schwelle von ungefähr 170.000 Volt pro Meter und ein gigantischer Kurzschluss kündigt sich an: der Blitz. Er kann sich innerhalb der Wolke oder zwischen Wolke und Boden entladen.

Der Blitz wird „gefangen“

In einer Gewitterwolke befinden sich positive Eiskristalle oben und negativ geladene Wassertropfen unten. Bei einem typischen Blitz wandern negative Ladungen im Leitblitz zuerst in Richtung Boden. Dort unten kommt es zu einer Ladungsumverteilung.  Anschließend geht dem Leitblitz eine positive Entladung vom Boden entgegen. Im Hauptblitz können Ladungsträger zwischen Gewitterwolke und Boden wandern. Der Blitz tauscht Ladungen zwischen Wolken und Boden aus. Der Boden ist danach negativer als zuvor.
Blitzentstehung

Bei einem typischen Wolke-Boden-Blitz wandern zunächst negative Ladungsträger im Leitblitz ruckartig in Richtung Boden und bereiten einen ionisierten Kanal vor. Der Boden unter dem Gewitter lädt sich währenddessen positiv auf, durch Influenz. Die elektrische Feldstärke ist an exponierten Orten besonders groß, wie zum Beispiel auf Kirchtürmen. Von solchen Stellen geht dem Leitblitz eine positive Ladung (Fangentladung) entgegen und stellt die Verbindung zwischen Wolke und Boden her, die den Blitzkanal schließt. Jetzt folgt die Hauptentladung, die oft aus mehreren Einzelentladungen besteht – die Stromstärke kann dabei 100.000 Ampère erreichen. Weil die Temperatur auf bis zu 30.000 Grad Celsius steigt, dehnt sich die Luft im Blitzkanal innerhalb von 10 bis 100 Millionstel Sekunden zum Plasma aus, was Schockwellen verursacht. Das ist der Donner, den wir hören. Aus der Zeit, die zwischen Blitz und Donner verstreicht, lässt sich berechnen, wie weit der Blitz entfernt war, denn der Schall bewegt sich durch die Luft mit etwa 340 Metern pro Sekunde viel langsamer als das Licht mit 300.000 Kilometer pro Sekunde: Die Zahl der Sekunden durch drei dividiert ergibt die Distanz in Kilometern.

Anders als intuitiv erwartet wird die durchschnittliche elektrische Spannung zwischen Atmosphäre und Erdboden durch Gewitter nicht verringert, sondern vergrößert: Denn Gewitter wirken wie elektrostatische Generatoren, und ihre Blitze transportieren im Mittel negative Ladung aus der Luft zur Erde. Lokal entlädt sich zwar die Spannung zwischen Wolke und Erde – von dem globalen elektrischen Feld „spürt“ das Gewitter aber nichts. Weltweit gesehen handelt es sich daher um eine Aufladung. Sie führt dazu, dass die Atmosphäre positiv geladen ist und der Boden negativ. Bei Wetterlagen ohne Gewitter wird diese Spannung durch den Transport von Ionen in der Luft langsam wieder abgebaut.

Gewitterblitze in der Forschung

Die meisten Blitze treten über tropischen Landmassen auf, wo günstige Bedingungen für Gewitter – schwüle, aufsteigende Luft – am ehesten gegeben sind. Die höchste Blitzdichte des Planeten herrscht im tropischen Zentralafrika.

Blitze werden vor allem für die Wettervorhersage und den Schutz vor Blitzschäden erforscht. In Hochspannungslabors erzeugt man zu diesem Zweck auch künstliche Blitze. Mit Sensornetzen (SAFIR, BLIDS) wird dagegen versucht, die Zahl und den Ort von Blitzen in Echtzeit zu messen – dies soll die kurzfristige Vorhersage von Gewittern verbessern. Außerdem hilft dies bei der Berechnung von Niederschlagsmengen, denn meist gehen blitzreiche Gewitter mit kräftigen Regenschauern einher.