Blitzphysik

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Jeder kennt die verästelte Struktur von Blitzen, wie sie eindrucksvoll bei einem Gewitter zu beobachten ist. Nun fanden Wissenschaftler heraus, dass sich die Ladungskanäle, die Vorläufer der Leuchterscheinung sind, immer an der Spitze teilen und auseinander streben. Mehr noch: Die mathematische Beschreibung des Phänomens erfolgt in ähnlicher Weise wie beim Wachstum von Korallen, bei der Bildung von Schneeflocken und der Verzweigung von Flüssen.

Thorsten Krome

Zuerst grummelt es nur ein wenig in der Ferne, und der Horizont erglüht in flackerndem Schein – die Vorboten eines drohenden Gewitters. Nun heißt es Schutz suchen, denn das Unwetter wird nicht lange auf sich warten lassen. Doch haben Blitz und Donner durchaus auch ihre Reize und bieten dem Beobachter ein imposantes Schauspiel.

Besonders die Blitze mit ihren feinen Verästelungen muten wie ein natürliches Feuerwerk an. Nüchtern betrachtet, handelt es sich bei ihnen um Funkenentladungen in der Atmosphäre – typischerweise zwischen der positiv geladenen Unterseite einer Gewitterwolke und dem Erdboden. Denn bei einer Potenzialdifferenz von etwa hundert Megavolt beginnt die Überschussladung, sich einen Weg zum Boden zu bahnen.

Dabei bildet sich zunächst ein leitender Pfad aus ionisierter Luft. Wenngleich hier recht komplexe Strukturen entstehen können, so ist das Grundprinzip doch einfach: Ein einzelnes freies Elektron bewegt sich in einem starken elektrischen Feld und ionisiert dabei durch Stöße Gasmoleküle in der Umgebung. Dabei werden weitere Elektronen frei, die nun ihrerseits durch Stoßionisation Elektronen losschlagen – ein Lawineneffekt.

Das ionisierte Gas erzeugt außerdem ein eigenes Feld, das die Reaktion noch beschleunigt, und so entsteht innerhalb von Sekundenbruchteilen ein Ladungskanal, durch den der Strom in Stößen von 10 bis 20 Kiloampere fließen kann. Der gesamte Blitzschlag dauert dabei nicht länger als 0,01 bis 1 Sekunde, setzt in dieser Zeit jedoch eine Energie von etwa einem Gigajoule um.

Aber zurück zum Ladungskanal: Was bewirkt die plötzlichen Verzweigungen und astartigen Strukturen, die so typisch für Blitze sind? Wissenschaftler fanden in der Vergangenheit bereits heraus, dass sich die Ladung vor allem in dünnen Lagen der kuppelförmigen Spitze eines Ladungskanals konzentriert, weshalb hier auch das elektrische Feld am stärksten ist. Simulationen des Vorgangs deuteten jedoch lediglich auf das fortschreitende Wachstum des röhrenförmigen Kanals mit einem festen Durchmesser hin. Nichts wies auf eine Verästelung.

Das hätte aber nur an einer zu geringen Feldstärke bei diesen Experimenten gelegen, vermutet Ute Ebert, die zusammen mit Manuel Arrayás und Willem Hundsdorfer vom Center for Mathematics and Computer Science in Amsterdam die Bildung von Ladungskanälen untersuchte. Die Forscher modellierten nämlich Kanäle, die sich in Stickstoff bei einer Spannung von 50 000 Volt zwischen zwei Elektroden ausbreiten. Womit die Feldstärke mehr als doppelt so groß war wie bei bisherigen Arbeiten.

Bei ihren Simulationen beobachteten die Wissenschaftler denn auch tatsächlich, wie sich die Ladungspfade spalteten – und zwar immer von der Spitze ausgehend. Ein genauerer Blick zeigte, dass hier die zunächst runde Ionisationsfront, die durch das Gas züngelte, immer flacher und dünner wurde. Bis sich schließlich eine Form ergab, die instabil ist und so genanntes dendritsches Wachstum begünstigt. Hierbei führen bereits kleinste Unebenheiten an der Grenzfläche zu schnell wachsenden Verzweigungen. Dergleichen beobachtet man bei vielen natürlichen System, wie beispielsweise beim Wachstum vom Korallen oder der Bildung von Schneeflocken.

Während exponierte Stellen einer Koralle mehr Nahrung abbekommen und deshalb schneller wachsen als der zurückgebliebene Rest, ist es bei der Ladungswolke an der Spitze des Kanals das elektrische Feld, welches an kleinen Unregelmäßigkeiten den Wachstumsschub und damit die Verästelung auslöst. Denn die Feldstärke ist aufgrund der Spitzenwirkung einer kleinen Erhebung deutlich größer, als an einem flachen Stück. Da eine größere Feldstärke gleichzeitig auch ein schnellere Ionisation bewirkt, sprießt der Ladungsast rasch von seinem Hauptstamm weg.

Ähnliches macht man sich auch bei einem Blitzableiter zunutze. Hier ist es eine Metallspitze, die eine hohe Feldstärke bewirkt und so die elektrische Ladung anzieht und ableitet. Im Übrigen wies der Erfinder des ersten Blitzableiters, Benjamin Franklin, Mitte des 18. Jahrhunderts noch mit recht riskanten und spektakulären Experimenten die elektrische Natur des Blitzes nach. Wenngleich es Arrayás, Ebert und Hundsdorfer mit ihren Simulationen sicherlich nicht leichter hatten, so war doch ihre Arbeit wesentlich ungefährlicher.