Aufbau einer Gewitterwolke

Maria Pfeifer 7.b
Damit Gewitterwolken mit Blitz und Donner entstehen können, muß innerhalb der Wolke eine
starke Aufwärtsströmung herrschen (In kräftigen Gewitterwolken wurden Aufwinde mit
Geschwindigkeiten von knapp über 30 m/sec = über 100 km/h gemessen).
Ideale Voraussetzungen für solch starke Vertikalbewegungen gibt es vor allem im Sommer, wenn
der Boden und die Boden nahe Luft stark aufgewärmt wird und dadurch von selbst in die Höhe
steigt (Bildung von Quellwolken, die immer größer werden und sich schließlich zu
Gewitterwolken entwickeln).
Aufbau einer Gewitterwolke:
Meistens tragen Gewitterwolken in den oberen Schichten positive, in den unteren negative
Ladungen. Die Temperatur sinkt von ca. 0°C in den unteren Schichten auf unter -20°C in den
obersten Schichten. Der Übergang von negativem zu positivem Ladungsüberschuß erfolgt bei 10°C bis -15°C in ca. 5 km Höhe. Der obere Teil der Wolke reicht oft bis in Höhen von 10 - 12
km und besteht aus Eiskristallen.
Eine Wolke ist eine für das menschliche Auge sichtbare Anhäufung von in der Luft (= ein
Gasgemisch, das die Erde umgibt. Die Zusammensetzung der Atome und Moleküle ist bis in eine
Höhe von etwa 120 km annähernd konstant) schwebenden Eisteilchen oder Wolkentröpfchen.
Diese Tröpfchen sind maximal 0.1 Millimeter groß. Sind sie größer, handelt es sich um
Regentropfen.
Liegt die Temperatur der Wolke unter -12°C, spricht man von einer Mischwolke, da in ihr
sowohl gefrorene als auch flüssige Wasserteilchen vorkommen. Liegt die Temperatur unter
-35° C, ist es eine Eiswolke. Sehr hohe Wolken (Circa auf 8000m Höhe) sind Eiswolken.
Grundsätzlich aber ist weniger die absolute Temperatur am Boden als viel mehr der
Temperaturunterschied zwischen den unteren und den oberen Luftschichten in 5 bis 8 km Höhe
ausschlaggebend dafür, ob sich die Luft nach oben in Bewegung setzt: Wenn die Temperatur mit
zunehmender Höhe mehr als 0.6° pro 100 Meter abnimmt, sind Gewitter unabhängig von der
Jahreszeit im Prinzip möglich.
Selbstverständlich sind solch tiefe Temperaturen in 5 km Höhe eher selten, und daher sind
Wintergewitter auch eher die Ausnahme. Im Sommer liegen die Temperaturen in 5 km Höhe im
Mittel bei -15° C, und somit muß am Boden nur +15° C bis +20° C, damit sich ein Gewitter
entwickeln kann.
Gewitterwolken reichen vielfach bis an die Obergrenze der Troposphäre (=die Wetterschicht, in
der fast der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre gesammelt ist, hier finden wir etwa 3/4 der
gesamten Masse der Atmosphäre) in rund neun Kilometern Höhe. Dort besteht die Wolke nur
noch aus Eiskristallen. Die erwähnten starken Auf- und Abwinde vermögen selbst größere
Eispartikel mehrmals zu packen und wiederholt nach oben in kältere Bereiche zu schleudern.
So wachsen sie immer mehr und können sich zu teils schweren Hagelkörnern entwickeln.
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Blitz und Donner:
Die Teilchen in einer Gewitterwolke werden durch starke Auf- und Abwinde durch die Wolke
gewirbelt. Dabei prallen die Teilchen zusammen und werden elektrisch aufgeladen. Die kleinen
und leichteren, meist positiv geladenen Teilchen sammeln sich im oberen Teil der Wolke an, die
schweren negativ geladenen Partikel im unteren Teil. Innerhalb der Wolke und als Folge auch
zwischen Wolke und Erde baut sich ein Spannungsfeld von einigen hundert Millionen Volt auf,
das sich schließlich mit einem gewaltigen und "blitzschnellen" Kurzschluß entlädt.
Entladung:
Übersteigt die Aufladung in der Gewitterwolke einen gewissen Grad, so findet Ladungsausgleich
durch Blitze statt: Entweder zwischen den unterschiedliche geladenen Bereichen der Wolke, oder
der unteren Wolkenschicht und der Erdoberfläche.
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Wegen der hohen negativen Aufladung der unteren
Wolkenschichten werden direkt darunter auf der
Erdoberfläche positive Ladungen erzeugt. Das
elektrische Feld kehrt sich um. In ihm werden
Elektronen stark zur Erde hin beschleunigt und
schaffen durch Stoßionisation einen Kanal hoher
Leitfähigkeit zwischen Wolke und Erdoberfläche.
Über diesen sogenannten Blitzkanal findet dann die
Hauptentladung statt, die für den Ausgleich der
negativen Ladungen der unteren Wolkenschichten
mit den positiven Ladungen der Erdoberfläche sorgt.
Negative Ladungen fließen zur Erdoberfläche.
Eine Hauptentladung dauert einige
hunderttausendstel Sekunden, 5 - 6 davon bilden
einen Blitz (man hat aber schon über 40
Entladungen beobachtet). Die Stromstärke in einem Blitz beträgt ca. 20 kA, der Spannungsabfall
längs des 1 - 2km langen Kanals bis zu 30 MV.
Wegen der hohen Stromstärke erwärmt sich die Luft am Blitzkanal momentan sehr stark und
dehnt sich explosionsartig aus. Die damit verbundene Druckwelle (Donner) breitet sich in
Blitznähe mit Überschall-, sonst mit Schallgeschwindigkeit, aus.
Die Anzahl Sekunden zwischen gesehenem Blitz und gehörtem Donner multipliziert man mit der
Schallgeschwindigkeit 300 Meter pro Sekunde. Damit erhält man eine Schätzung der Distanz
zum Gewitter.
Weltweit gibt es täglich etwa 45'000 Blitze. Jeder von ihnen erzeugt Stromstärken von mehreren
100'000 Ampere. Der Maximalstrom während eines Blitzschlages fließt jedoch nur während
wenigen Millionsteln einer Sekunde.
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Ladungstrennung
Der Prozeß der Ladungstrennung ist noch nicht geklärt, als Ursachen werden aber hauptsächlich
folgende Vorgänge vermutet:
.) Wilson-Effekt:
Das elektrische Feld der Erde erzeugt in Wassertropfen an der Unterseite positive, an der
Oberseite negative Ladungen. Diese fallenden Regentropfen ziehen wegen ihrer
Abwärtsbewegung an der Unterseite mehr negativ als an der Oberseite positiv geladene Ionen
an. Insgesamt transportieren sie also in der Wolke negative Ladungen nach unten.
.)Theorie von Mason:
Graupelkörner(Körner, kleiner als 5mm Durchmesser, aus Eiskristallen bestehend) werden im
elektrischen Feld der Erde polarisiert, sie sind unten positiv, oben negativ geladen. Während der
Fallbewegung wird positive Ladung durch auf- und wieder abprallende Wassertröpfchen und
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Eiskristalle aufgenommen und abgeführt. Die nach unten fallenden Graupelkörner werden also
insgesamt negativ aufgeladen.