Verschiedenes

Auf diesen bemerkenswerten Bildern sind eine Vielzahl von "cloud to ground" und den seltener zu beobachtenden "cloud to cloud" oder "intra-cloud" Blitzen zu erkennen. Die Bilder Mann1.jpg und Mann2.jpg zeigen Darstellungen des "Namargon" oder auch "Lightning Man" in Australien.

In hochreichenden Cumulonimbus-Wolken tritt eine Ladungstrennung auf, so dass der oberste Teil der Wolke eine positive Nettoladung trägt und an der Wolkenbasis ein negativer Ladungsüberschuss herrscht. Die Ladungsmengen in den Zentren dieser Regionen betragen 10 bis 100 Coulomb. Im oberen Teil der Wolke ist die Ladung diffus verteilt, im mittleren kompakter.
Die sogenannte "Ladungszone" befindet sich in einer Region zwischen Wolkenbasis und Obergrenze bei Umgebungstemperaturen von -10 °C und -25 °C. Nur hier können Eispartikel, unterkühltes Wasser und Hagelkörner koexistieren. Durch die negative Wolkenbasis wird am Erdboden eine positive Spiegelladung induziert.

Die Ladungstrennung in der Wolke wird durch Kollisionen zwischen grösseren vereisten Hydrometeoren, die an ihrer Oberfläche eine positive Ladung tragen mit kleineren Hydrometeoren erzeugt. Bei der Kollision nehmen die kleineren eine positive Ladung mit und hinterlassen den größeren Hydrometeor negativ geladen. Pro Kollision werde so 10E-14 Coulomb ausgetauscht, wenn einer der beiden Kollisionspartner Hagelkörner sind. Bei Hagel-Hagel Kollisionen ist der Austauschbetrag höher. Da die kleinen Hydrometeore in der Aufwindströmung nach oben transportiert werden können, während die großen dafür zu schwer sind, resultieren die positiv-negativ-positiv Ladungszonen in der Wolke. Dies ist der wichtigste Mechanismus zur Ladungsseparation in Gewitterwolken. Eine Reihe anderer Prozesse spielt aber auch eine Rolle. Der genaue Mechanismus der Ladungstrennung bei den Partikelkollisionen ist aber insgesamt immer noch unbekannt.

Zwischen Wolkenuntergrenze und Erdboden können Potentialdifferenzen von 10 Millionen Volt und mehr aufgebaut werden. Wenn die elektrische Feldstärke, die in Volt pro Meter gleich der Potentialdifferenz geteilt durch den Abstand zwischen den ungleichnamigen Ladungen ist, den "Durchbruchswert" erreicht, können Blitzentladungen entstehen.

Das elektrische Feld oberhalb der Durchbruchsfeldstärke treibt zunächst negative Ladungsträger von der Wolkenbasis mit Geschwindigkeiten von 150 km/s zum Boden. Dadurch entsteht der sogenannte "Vorblitz". Aufgrund der Inhomogenitäten in der räumlichen Verteilung der elektrischen Feldstärke geht die Ausbreitung des Vorblitzes in diskreten Sprüngen von je etwa 2 bis 50 m voran. Aus dem gleichen Grund ist der Blitz auch nicht eine gerade Linie, sondern oft verzweigt.

Der Vorblitz erreicht nach etwa 20 ms den Boden und es entsteht ein "Ladungskanal" von bis zu einem Meter Durchmesser, der mit elektrischen Ladungsträgern besetzt ist. Ein erster Ladungsausgleich zwischen dem unteren Wolkenbereich und der Erde findet statt und Ströme im Kilo-Ampere Bereich fliessen. Im Inneren des Vorblitzes ist ein Plasmakanal von mehreren Zentimetern Durchmesser und die Aufheizung durch den Strom erhitzt diesen auf Temperaturen um
20 000 Kelvin. Bei diesen hohen Temperaturen ist hier auch der Ort der NOx-Produktion.

Wenn der "Kurzschluss" hergestellt ist, breitet sich der "erste Hauptblitz" von unten nach oben in dem Ladungskanal mit 1/3 der Lichtgeschwindigkeit aus und es fließt ein Strom von 10 000 A bis 40 000 A. In seltenen Fällen können sogar 100 kA erreicht werden. Es werden also positive Ladungsträger vom Boden in den unteren Wolken-bereich transportiert. Typischerweise werden Ladungsbeträge um 20 Coulomb mit Spitzenwerten um 200 C in die Erde transportiert.

Nach der ersten Blitzentladung füllt sich der weiter bestehende Blitzkanal erneut mit Ladungsträgern, diesmal kontinuierlich (also nicht in Sprüngen) und von oben nach unten mit einer Geschwindigkeit von 3000 km/s. Wie auch der Vorblitz leuchtet diese "Zwischenentladung" nur schwach.

Erreicht die Zwischenentladung den Erdboden, zündet ein neuer, diesmal schwächerer Hauptblitz. Diese Sequenz wiederholt sich so oft, bis die Potentialdifferenz durch den Ladungs-ausgleich zu schwach für die Erzeugung weiterer Blitze zu klein geworden ist. Die gesamte Entladung über Vorblitz, mehrere Haupt- und Zwischenentladungen dauert etwa 10 ms. Daher kann man als Beobachter höchstens ein Flackern bei länger andauernden "Einzelblitzen" wahrnehmen. Im Durchschnitt besteht jeder wahrgenommene Blitz aus drei Hauptblitzen.

Der Donner entsteht durch die Ausdehnung der vom Blitz aufgeheizten Luft im Blitzkanal. Im Inneren des Blitzkanals von 1 m Durchmesser besteht ein Druck von etwa 100 bar. Diese Druckdiskontiniutät breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus. Dabei nimmt die Druckdifferenz schnell ab, auf 0.8 bar in 5 m Abstand und auf 1 hPa bei 300 m. In etwa 25 km Entfernung ist die Druckdifferenz so schwach, dass der Mensch sie nicht mehr "hören" kann. Immerhin kann das Ohr noch Druckdifferenzen 10E-3 hPa wahrnehmen. Wenn man näher als 25 km bei dem Blitz ist, empfindet man die hohen Druckunterschiede als "Knall".

Dadurch dass Blitze eine gewisse Länge haben, Teile als näher beim Beobachter sind als andere, entsteht eine länger andauernde Geräusch-quelle. Das "Grollen" wird dann durch die vielfachen Reflexionen des Schalls an Boden, Bergen und Wolken und die Überlagerung all dieser Schallwellen mit unterschiedlichen Laufzeiten erzeugt.

Global gesehen treffen etwa 12 bis 16 "Wolken-zu-Boden-Blitze" die Erde pro Sekunde mit einem Maximalwert von 55 Hertz im nordhemisphärischen Sommer über Land. 70% der Blitze treten zwischen 30° südlicher Breite und 30° nördlicher Breite auf. Die Blitzschlagrate über den Kontinenten ist etwa zehnmal höher, als über den Ozeanen. Die Blitze stellen die Hauptquelle für die natürliche Produktion von NOx dar.

Im Plasmakanal bei Temperaturen zwischen 20 000 K und 30 000 K tritt Dissoziation des Luftsauerstoffs O₂ und des Luftstickstoffs N₂ auf. Die freigesetzten N und O Atome können zu dem Stickoxid NO rekombinieren. Es gibt luftchemische Reaktionen, die Stickoxide wieder abbauen. Diese werden aber bei Temperaturen unterhab von 3000 K ineffizient, so dass die maximale NO Konzentration bei etwa 3000 K auftritt. Nach gegenwärtigen Abschätzungen beträgt die globale NOx Produktion durch Gewitter zwischen 2 und 20 Terragramm pro Jahr.

Demgegenüber wird der Beitrag des zivilen Luftverkehrs durch NOx Emissionen in der oberen Troposphäre zu 0.5 bis 0.8 Terragramm pro Jahr geschätzt. Um die Bedeutung des anthropogenen Anteils an der NOx- Produktion für die Chemie der Troposphäre beschreiben zu können, ist es von essentieller Bedeutung zunächst die natürlichen Quellen und deren Quellstärken zu kennen.

Der "Namargon" oder "Lightning Man" ist in vielen Felsmalereien der Aborigines im Nordaustralischen Arnhem-Land anzutreffen. Der Stil dieser beiden Bilder wird als "X-ray painting" bezeichnet. Gemäß der Mythologie der australischen Ureinwohner ist das Band, das seinen Körper umgibt der Blitz. Die Steinäxte, die aus seinem Kopf, seinen Ellenbogen und seinen Knien herausragen dienen während der Prä-Monsun-Zeit, also direkt vor der Regenzeit, dazu aus den Wolken Blitze herauszuschlagen und den Donner zu produzieren.
Aufgabe des "Namargon" ist, die Stammesgesetze zu überwachen und durchzusetzen. Das Alter der Felsmalereien in dem "Nourlangie Rock" Gebiet des Kakadu National Park wird bis 20 000 Jahre geschätzt. Einige dieser Malereien wurden 1964 von dem Aborigine-Künstler Najombolmi mit neuen Farben übermalt. (aus Roberts, D. A., A. Parker, Ancient ochres: The aboriginal rock paintings of Mount Borradaile, JB Books, Australia, 2003)

Blitz1.jpg bis Blitz6.jpg: O. Hartmann, Mainz, 2001

Mann1.jpg und Mann2.jpg: S. Borrmann; Nourlangie Rock, Kakadu National Park, Northern Territory, Australien, 3. Dezember 2005