Eiffelturm

Weshalb donnert es bei einem Gewitter?

Der Donner ist eine Folge des Blitzes. Der Blitz erzeugt einen so genannten Blitzkanal, in dem innerhalb von wenigen Millionstel Sekunden extrem hohen Temperaturen entstehen. Dadurch wird die Luft zu einer explosionsartigen Ausdehnung gebracht – und es donnert.

Ein Blitz ist enorm schnell. Er benötigt nur einige tausendstel Sekunden, um von einer Wolke aus in einen Baum oder ein Dach einzuschlagen. Man kann dabei den Eindruck haben, als ob der Donner, der dann folgt, unmittelbar durch den Blitz selber erzeugt wird.

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

Wenn ein Blitz von einer Wolke in die Erde einschlägt, dann wird durch eine so genannte Vorentladung ein Blitzkanal erzeugt. Kurz bevor er die Erde erreicht, wird dort eine Fangladung erzeugt, die der Vorladung entgegenläuft. Dadurch wird der Blitzkanal geschlossen und die volle Blitzentladung setzt ein. Im Zentrum des Blitzkanals wird die Luft innerhalb von wenigen Millionstel Sekunden auf etwa 27.000 bis 30.000 Grad Celsius aufgeheizt. Das ist so kurz, dass die erhitze Luft keine Zeit hat sich während des Blitzes auszudehnen. Sie befindet sich deshalb in einem Zustand mit sehr hohem Druck, etwa 10- bis 100-mal höher als im Normalzustand. Diese zusammengedrückte Luft explodiert dann mit Überschallgeschwindigkeit in Form einer Schockwelle nach außen, aus dem Blitzkanal heraus, in alle Richtungen. Die damit verbundenen Schallwellen erzeugen den bekannten Donner.

Nach der Hauptentladung können noch bis zu 40 Teilentladungen innerhalb von Tausendsteln bis Hundertsteln Sekunden folgen.

Der gleiche Effekt der explosionsartigen Schockwellen in der Luft spielt sich auch bei Blitzen zwischen Wolken ab. Diese Art von Blitzen befindet sich mit zirka 80 Prozent sogar deutlich in der Mehrheit.

Der Donner breitet sich mit Schallgeschwindigkeit von 330 Meter pro Sekunde aus. Er ist also sehr viel langsamer als der mit Lichtgeschwindigkeit sichtbar werdende Blitz. Deshalb ist er meistens erst danach zu hören, es sei denn der Blitz schlägt in unmittelbarer Nähe des Beobachters ein.

Ursache für die Blitzentladungen sind elektrische Spannungen zwischen Wolken und Erde/Wolken von einigen 100 Millionen Volt. Sie erzeugen in den Blitzkanälen Stromstärken bis zu mehreren 100.000 Ampere, wodurch die enorme Aufheizung des Blitzkanals erfolgt.

Die Spannungen werden durch die Trennung von positiven und negativen elektrischen Ladungen innerhalb von Gewitterwolken erzeugt. Hierbei spielen feucht warme Luftmassen, Eisteilchen und Wassertröpfchen die Hauptrolle. Als Ergebnis sammeln sich oben in der Gewitterwolke positiv geladene Eisteilchen an, denen unten ein negatives Ladungszentrum von Wassertropfen gegenüber steht. Durch elektrische Induktionswirkung entsteht auf der Erde dann die positive Gegenladung.

Schwarzweiss-Fotographie: der Eiffelturm in Paris bei Nacht, Blitzeinschlag von oben in den Eiffelturm.
Blitzeinschlag in den Eiffelturm

Da die elektrische Entladung der Wolken den kürzesten Weg zum Boden bevorzugt, sieht man die Blitze meistens senkrecht von oben kommen. Da wir in der Regel am Boden sind, hören wir die Schockwellen vom Ende des Blitzkanals als erste, gefolgt von vom Krachen der nachfolgenden Schockwellen von weiter oben. Anders ist die Situation, wenn ein Blitz in etwa konstanter Entfernung zum Beobachter verläuft, denn dann können die Schockwellen in etwa gleichzeitig bei ihm ankommen und erzeugen so den bekannten Donner-Knall.

Nicht immer folgt der Blitz einem einzigen Kanal. Sehr oft spaltet er sich auf in mehrere Kanäle. Dann ändert sich das Donnergeräusch, da dann mehrere Blitzkanäle Schockwellen aussenden, die auch noch an einander reflektieren können und so eine Serie von Donnern mit geringerer Lautstärke in Form eines Grummelns erzeugen. Ähnliche Effekte werden auch durch Blitze hervorgerufen, die sich auf den Beobachter zu oder von ihm wegbewegen, weil dann die Schockwellen erst nach und nach eintreffen.

Entstehung von Schockwellen

In kompressiblen, das heißt verdichtbaren Medien breiten sich Druckänderungen in Form von Wellen aus, die den Druck im Medium verteilen und ihn dadurch abbauen. Je nachdem, ob der Druck ansteigt oder abfällt, spricht man von Verdichtungs- oder Verdünnungswellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen ist für kleine Druckunterschiede gleich der Schallgeschwindigkeit.
Erfolgt aber zum Beispiel ein Druckanstieg schneller als er mit Schallgeschwindigkeit abgebaut werden kann, dann ändert sich der Ausbreitungsvorgang. Die Änderung kann dann nicht mehr schnell genug weiter geleitet werden und die Verdichtungswellen steilen auf, weil sich das Medium fast augenblicklich der Störung mit einem starken Druck- und Dichteanstieg gefolgt von einer schockartigen Temperaturerhöhung anpasst. Das führt zu einem so genannten Verdichtungsstoß, der sich als Stoß- oder Schockwelle weiter ausbreitet. Mit fortschreitender Absorption der Energie der Schockwelle im Medium klingt sie dann wieder zu einer gewöhnlichen Druckwelle ab.