HBS008 Der Blitz

06/28/20 • -1 min

Gewitter sind eines der beeindruckensten Naturschauspiele, die die Erde zu bieten hat. Im Schnitt blitzt es jede Sekunde bis zu Hundert mal, das macht bis zu zehn Millionen mal am Tag. Blitze wurden in der Antike als Zeichen der Götter gedeutet. Je nach Himmelsrichtung kamen den Blitzen bestimmte Deutungen zu. Befand sich ein Gewitter im Westen und verlagerte sich weiter nach Norden, so bedeutete dies Unheil. Wurde ein Gewitter jedoch im Osten beobachtet galt dies als positives Zeichen der Götter. Im Mittelalter hielt dieser Glaube weiterhin an. Martin Luther beispielsweise gehörte auch dazu. Als er eines Tages bei einem Spaziergang in ein heftiges Gewitter geriet, bangte er um sein Leben. Damals war die Gefahr von einem Blitz getroffen zu werden tatsächlich höher als heutzutage. Zum einen arbeiteten mehr Menschen auf dem Land und außerdem befanden sich an den Gebäuden noch keine Blitzableiter. Heutzutage treffen in Mitteleuropa nur etwa 35 von 100 Blitzen den Erdboden. 65% sind sogenannte Wolkenblitze. Die Wolkenbasis, also die untersten Schichten einer Gewitterwolke, muss eine bestimmte Höhe unterschreiten, damit eine Entladung zwischen Erdboden und Wolke statt findet. Natürlich gibt es hier auch Ausnahmen. In den Tropen befindet sich die Wolkenbasis einer Gewitterwolke, meist über 3 Kilometer Höhe. Das führt dazu, dass kaum ein Ladungsausgleich zwischen Erdboden und Wolke erfolgt und daher in den Tropen fast ausschließlich Wolkenblitze beobachtet werden und keine Blitze, die in den Erdboden oder in Gebäuden einschlagen. Daher sind Blitzableiter in den Tropen eher selten zu finden. Die Gewitterwolke selbst muss natürlich auch eine gewisse Mächtigkeit aufweisen, damit ein Blitz entstehen kann. Und Blitze sind nichts anderes als elektrische Ströme, die gegensätzliche Ladungen ausgleichen. Das hat der Naturwissenschaftler und Politiker Benjamin Franklin Mitte des 18. Jahrhunderts herausgefunden. Für den Ladungsausgleich muss erst einmal eine Ladungstrennung erfolgen. Die Wasser- und Eisteilchen der Gewitterwolke kollidieren und wechselwirken miteinander, wodurch sie sich unterschiedlich aufladen. Dabei sammeln sich die positive geladenen und leichteren Eisteilchen durch die starken vertikalen Aufwinde oben in der Wolke an und die negativ geladene Teilchen befinden sich eher im unteren Bereich der Wolke. An der Wolkenbasis, also am Fuß der Gewitterwolke gibt es einen weiteren schmalen Bereich mit positiver Ladung. Dieses tripole Ladungstheorie stammt von Simpson (1909) und Wilson (1929) Anfang des 20. Jahrhunderts. Als einfaches Modell kann die Tripol-Theorie immer noch herangezogen werden. In Wirklichkeit ist die Ladungsverteilung aber sehr kompliziert und immer noch nicht ganz verstanden, da sich die Messung der Ladung innerhalb einer Wolke als durchaus schwierig erweist. Daher wird oft immer noch auf das einfache Modell verwiesen, um zu verstehen wie die Ladungsverteilung aussieht und der Ausgleich durch Blitze überhaupt erst entsteht. Wurde eine entsprechend große Ladungstrennung (es wird auch von Potentialunterschied gesprochen) aufgebaut, können sich Blitze bilden. Die Blitze bestehen dabei aus mehreren Phasen. Zunächst erfolgen stufenweise Vorentladungen. Diese bauen den eigentlich leitenden Blitzkanal auf. Mit einem Sechstel der Lichtgeschwindigkeit pflanzen sich die Vorentladungen um etwa 50 m schrittweise fort. Oft entsteht eine vielfach verzweigte Zickzackbahn. Nach wenigen hundertstel Sekunden (10-20 ms und etwa 100-200 Schritte) wird die nächste Phase eingeleitet, die Hauptentladung. Wenn einer der Zweige sich dem Erdboden auf etwa 100 m genähert hat, dann baut sich vom Erdboden eine sogenannte Fangladung auf. Das sieht so aus, als ob vom Boden her ein Blitz dem entstehenden Blitz entgegen springt. Haben sich diese beiden getroffen, erfolgt die eigentliche Entladung im Hauptkanal, der einen Durchmesser von etwa 12 Millimeter hat und wird dann als Blitz wahrgenommen. Manchmal sind auch die vielen Verzweigungen zu sehen. Interessanteweise schießt der Blitz nicht vom Himmel herab, sondern die Entladung, also der Stromstoß fließt im Normalfall (85-90%) nach oben zur Wolke. Im Vergleich zur Erde ist die Wolke am unteren Rand nämlich negativ geladen. Und daher fließt der Strom vom Positiven zum negativen Bereich. Die Entladung erfolgt aber nicht unbedingt nur einmal, sondern kann auch in mehreren Stößen ausgeglichen werden. Im Mittel sind es 2 bis 5 Stöße, aber es wurden auch schon bis zu 42 Nachentladungen beobachtet. Da diese so schnell wieder vorbei sind, wird eine einzelne Entladung mit bloßem Auge meist nicht wahrgenommen. Denn diese dauert etwa 30 Mikrosekunden, das sind 0, 000 03 Sekunden, also 4 Nullen hinter dem Komma. Erst bei mehreren Einzelentladungen können wir den Blitz gut erkennen. Manchmal gibt es so viele, dass der Blitz für mehrere Sekunden zu sehen ist. Das erscheint dann wie ein Flackern. Der am längsten andauernde Blitz wurde in Südfrankreich am 30. August 2012 beobachtet....

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HBS007 Der Geruch des Regens

"Uiuiui, da braucht sich ganz schön was zusammen. Ich kann den Regen schon riechen." Das ist kein alberner daher geholter Satz, sondern da ist tatsächlich etwas dran. Nähert sich nach einer langen trockenen Phase ein Regenschauer, ist das markante Aroma besonders intensiv. Wie kommt das und warum riechen wir Regen überhaupt? Wenn es regnet, fällt Wasser vom Himmel. Aber pures Wasser ist geruchlos, dennoch "verströmt" Regen einen Duft. Dieser Duft hat einen Namen und wird Petrichor genannt. Der Geruch des Regens. Oder etwas wortwörtlicher: Das Blut der Steine. Petrichor setzt sich aus den griechischen Wörtern Petra, was Stein bedeutet, und Ichor zusammen. Ichor beschreibt laut griechischer Mythologie, die Flüssigkeit, die in den Adern der griechischen Götter fließt. Der Begriff Petrichor wurde 1964 von den australischen ChemikerInnen Isabel J. Bear und Richard G. Thomas geprägt. Bear und Thomas waren aber nicht die ersten, die wissen wollten, wo das Aroma herkommt bzw. entsteht. Bereits 1865 hat der Chemiker TL Phispon einen Zusammenhang von organischen Substanzen und ätherischen Ölen erkannt, die von vielen Blumen abgesondert werden und in die Erde gelangen. Und erst bei Regen freigesetzt werden. Allerdings veröffentlichte er seine Aufzeichnungen erst 25 Jahre später als zwei französische Chemiker (Professor Berthelot und M. André) ihre Theorie über den "Duft der Erde" ("Sur l'Odeur propre de la Terre", 1891) publizierten. In langen Trockenperioden produzieren bestimmte Pflanzen ein gelbliches Öl. Und das wird wiederum von den Steinen und dem Erdboden absorbiert. Fällt nun der Regen auf die Gesteine, gelangt das ätherisch Öl in die Luft. Aber neben diesem gelblichen Öl wird auch ein weiterer Soff freigesetzt. Geosmin. Geosmin ist ein Alkohol, den Bakterien im Boden frei setzen. In einer Trockenperiode fahren die Bakterien ihre Aktivität runter und produzieren sehr wenig bis kein Geosim. Erst wenn es feuchter wird, steigt ihre Aktivität und sie setzen den Geruch Geosmin frei. Daher ist das Aroma manchmal sehr gut am frühen Morgen zu riechen, wenn der Boden von Tau bedeckt ist. Sie sind verantwortlich für den muffig-erdigen Duft, der der Bodengeruch Geosmin ausmacht. Diese beiden Duftstoffe Petrichor und Geosmin machen das markante Aroma des Regens aus. Das erklärt zwar was den Geruch ausmacht, jedoch noch nicht wie der Geruch genau in die Luft gelangt. Und nicht nur diese beiden Stoffe werden freigesetzt. Beispielsweise enthalten Aerosole auch Bakterien wie E. coli. Das macht es umso interessanter und auch wichtiger herauszufinden, wie genau die Aerosole in die Luft gelangen und weiter transportiert werden. Die Erkenntnis ließ einige Zeit auf sich warten. Erst vor wenigen Jahren wurde diese Frage geklärt. Im Jahr 2015 ist der Prozess der Freisetzung des Geruchs geklärt worden. Wissenschaftler um den damaligen Doktoranden Young Soo Joung sind der Ursache der Freisetzung/Verbreitung des Aromas auf die Spur gekommen. Sie filmten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera den Moment, in dem ein Tropfen auf den Boden aufprallt. Zunächst wird der Tropfen beim Aufprall flach. Gleichzeitig lösen sich vom Boden winzige Luftbläschen unterhalb des Tropfen. Diese Luftbläschen enthalten Aerosole. Die in den Luftbläschen eingeschlossenen Aerosole befinden sich dann in diesem Tropfen. Platzt nun der Regentropfen und damit dann auch die kleinen Bläschen, werden die Duftstoffe freigesetzt und gelangen in die Luft. So gelangen in wenigen Mikrosekunden hunderte Aerosolpartikel in die Luft. Es bildet sich sozusagen eine Duftwolke, die wir dann wahrnehmen. Die Intensität des Geruchs hängt von drei Faktoren ab: Zum einen von der Porosität des Bodens. Hohlräume und eher lockerer Boden sind gut fürs Aroma. Vor allem in Wald- und Lehmböden ist die Erde oft schön locker und daher ist dort der muffige Geruch und Petrichor besonders intensiv zu riechen. Als zweiter Faktor spielt die Feuchtigkeit des Bodens eine Rolle. Auf trockenen Böden, wie nach langen Hitze- und Trockenperioden, werden mehr Duftstoffe freigesetzt als bei eh schon feuchten Böden. Der dritte und letzte Faktor ist die Intensität des Niederschlags. Bei leichtem oder mäßigem Regen kommt das Aroma besonders gut zum Vorschein. Bei starken Niederschlägen wird die Duftwolke hingegen nicht mehr so gut durch die Luft gewirbelt und kann nicht so gut weiter transportiert werden. Außerdem bilden sich auch weniger Luftbläschen. Manchmal kann man den Regen sogar schon aus der Ferne riechen. Dann kommt der erste Schwall eines herannahendes Schauers oder Gewitters an. Der kalte Ausfluss einer Gewitterlinie führt die Duftstoffe und damit den Regengeruch mit sich. Dabei wird der Regengeruch auch in Regionen transportiert, wo der Regen nicht unbedingt ankommt. Aber es erhöht sich dort trotzdem auch die Luftfeuchtigkeit. Damit werden auch die Poren von Steinen und der Erde feuchter. Und so wird der Regengeruch auch schon vor dem Regen in ger...

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HBS009 Das Geräusch des Gewitters

Donner. Fast jeder Mensch auf der Welt kennt das Geräusch. Und wie unheimlich Gewitter sein können, wenn wir mitten drin stecken, auch wenn wir sicher untergekommen sind. Es ist daher nicht verwunderlich, dass es dazu schon sehr lange Geschichten gibt. Früher wurde der Donner oftmals als Zeichen der Götter gedeutet. Während sie Lichtblitze auf die Erde werfen, erklingt ihre Stimme durch ein Donnergrollen. Sei es der nordische Gott Thor, der griechische Gott Zeus oder auch der nigerianische Gott Shango. Da die Prozesse im Himmel als unergründliches Mysterium galten, gab es viele Theorien zur Entstehung von Blitz und Donner. Frühe Erklärungsversuche umfassen "die Luft prallt auf die Gewitterwolke und verursacht dabei den Donner und während die Luft sich durch die Wolke bewegt erzeugt sie dabei den Blitz". Eine weitere Theorie beschreibt die Ursache des Donners "durch Aneinanderreiben von Hagel und dem Entweichen der Luft aus der Wolke". Das Prinzip ist so ähnlich wie Luft, die beim Platzen eines Luftballons aus diesem entweicht. Der französische Philosoph und Naturwissenschaftler Descartes nahm 1637 noch an, dass der Donner eine Schwingung ist, die entsteht, wenn eine höher gelegene Wolke auf eine niedriger gelegene Wolke absinkt und beim Aufeinandertreffen einen Knall verursacht. Was alle Theorien vereint, ist die Annahme, dass der Donner durch Wolken und Luft hervorgerufen wird und nie mit dem Blitz in Verbindung gebracht wurde. Erst ein Jahrhundert später als der Wissenschaftler und Politiker Benjamin Franklin Elektrizität und den Lichtblitz erforschte und dabei den Blitzableiter erfand (1752), kam er zufällig auf den Zusammenhang von Blitz und Donner. Während der elektrischen Entladungen in seinem Labor hörte er auch immer ein lautes Geräusch. Daraus schloss er, dass auch in der Natur nach einem Blitz immer ein Donner zu hören sein sollte. Jedoch konnte er noch nicht ganz erklären warum das so ist. Er schrieb in einen Brief an den Londoner Gelehrten Peter Collinson, dass „das elektrische Feuer lautlos aus der Wolke abgeleitet werden könne“, wenn sich seine Hypothese von der elektrostatischen Aufladung der Gewitterwolken belegen ließe. Heute wissen wir, dass Donner durch eine explosionsartige Ausdehnung der Luft entsteht. Und das wird durch eine plötzliche Erhitzung der Luft im Blitzkanal verursacht. Der Blitz erhitzt die Luft auf bis zu 30 000°C. Gleichzeitig erhöht sich der Luftdruck aufgrund der starken Erhitzung schlagartig um das 10 bis 100 fache des Umgebungsdrucks. Dies hat zur Folge, dass sich die Luft mit Überschallgeschwindigkeit ausdehnt und dabei eine Schockwelle erzeugt. Das bemerkenswerte ist, fast 99% der Energie, die beim Blitz freigesetzt werden, erwärmen die Luft auf die hohen Temperaturwerte. Das restliche eine Prozent der Energie erzeugt den Donner. Die entstandene Schockwelle hören wir dann in Form des Donners. Die Schockwelle wird dabei schnell langsamer und breitet sich dann wie eine gewöhnliche akustische Welle mit Schallgeschwindigkeit aus. Mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von rund 343 m/s kann die Entfernung des Blitzes ganz grob abgeschätzt werden. Der Schall legt in einer Sekunde 343 m zurück, das sind in einer Stunde 1,23 Millionen Meter und etwas einfacher ausgedrückt etwa 1.233 km. Wird die Zeitspanne zwischen Blitz und Donner durch 3 geteilt, ergibt sich die Entfernung des Blitzes in Kilometern. Liegen zwischen dem beobachteten Blitz und dem gehörten Donner etwa 10 Sekunden, dann befindet sich das Gewitter bzw. der Blitzschlag in etwa 3,4 Kilometer Entfernung. Weiter als 12 bis 15 Kilometer kann der Donner allerdings nicht mehr gehört werden, da er von der Luft und der Umgebung sozusagen absorbiert wurde. Vom Gewitter nehmen wir dann nur noch das sogenannte Wetterleuchten, also die Blitze war. Wie kommt es eigentlich, dass die Geräuschkulisse des Donners immer anders klingt? Die Ursache erklärt sich aus der Laufzeit des Schalls. Der Donner an sich ist immer ein lauter Knall. Zumindest klingt er so in nächster Nähe. Diese erste Klangart des Donners ist ein lauter knallartiger Schlag. Dies wird verursacht, wenn sich der Blitzkanal eher vertikal zum Hörer befindet und recht kurz ist. Die Schallwellen kommen alle etwa gleichzeitig an. Weiter weg vernehmen wir den Donner als rollendes und rumpelndes Poltern. Dann verläuft der Blitzkanal eher horizontal, er bleibt also zum Beispiel innerhalb der Wolke auf einer Ebene. Der Schall von einem zum anderen Ende des Blitzes erreicht uns als HörerIn nun zu unterschiedlichen Zeiten. Und je nach dem wie lang der Blitzkanal ist, nimmt auch das Donnergrollen an Dauer zu. Oftmals erklingt der Donner dann auch dumpfer und tiefer, da die hohen Frequenzen an den Wolken, dem Gelände und an Häusern gedämpft werden. Dieser Effekt wird durch Gebirge nochmals verstärkt, da die Schallwellen in einem Tal an den umliegenden Bergen mehrmals reflektiert werden können. In der Nacht erscheint die Geräuschkulisse des Donn...