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Blitz

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Dieser Artikel beschreibt das Naturphänomen Blitz. Für andere Bedeutungen siehe Blitz (Begriffsklärung).

Datei:Blitze 1.jpg
Blitze

Blitze sind meist sehr helle, kurzfristige Lichterscheinungen, die entweder durch Geräte (siehe Blitzlichtfotografie) oder Ladungsausgleiche in den Wolken beziehungsweise zwischen den Wolken und der Erde hervorgerufen werden. Dabei wird je nach dem Vorzeichen der Spannungsdifferenz zwischen aufwärts- und abwärts gerichteten Blitzen unterschieden. Vor der sichtbaren Entladung baut sich ein starkes elektrisches Feld, der sog. Blitzkanal, auf. Der Blitzkanal hat wenige cm bis mehrere m im Durchmesser; in ihm findet kurz darauf die eigentliche Funkenentladung statt. Die Leuchterscheinung wird verursacht durch die extreme Aufheizung des Blitzkanales, die zur Ausbildung eines Plasmas führt.

Akustisch äußert sich ein Blitz in Form von Donner; das "Grollen" des Donners kommt durch Echo-Effekte zustande.

Häufigkeit von Blitzen

Weltweit gibt es jederzeit 2000 bis 3000 Gewitter, was auf der gesamten Erde täglich 10 bis 30 Millionen Blitze ergibt. Das sind über 100 Blitze in jeder Sekunde. Doch nur 10% aller Blitze schlagen in den Boden ein. Am Ort des Einschlags können sie Temperaturen von mehreren 1000° C erzeugen.

In der Bundesrepublik Deutschland gab es 2003 über 2 Millionen Blitze. In Österreich schwankt die seit 1992 registrierte Zahl zwischen 104.000 und 222.000, davon allerdings 70% in der südöstlichen Landeshälfte und nur 10% im alpinen Tirol. Die bisherige Regel, dass im Gebirge mehr Blitze auftreten, dürfte also nicht überall gelten.

Die allgemeine Blitzhäufigkeit in Deutschland liegt zwischen 0,5 und zehn Einschlägen pro Quadratkilometer und Jahr. Der Schnitt Bayerns liegt unter 1 Blitz pro km² jährlich, in Österreich und Norditalien bei 1-2, in Slowenien bei 3. Fast überall gibt es kleinere Bereiche, die 2-3 mal höher liegen (und umgekehrt).
Ferner hängt die Blitzhäufigkeit sehr stark von der Jahreszeit ab. Im Juli und August kommt es zu vielen Blitzschlägen, im Januar gibt es fast keine.

Am häufigsten blitzt es in Deutschland im Schwarzwald, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen. Als "Die Stadt der Blitze" bezeichnet man allerdings Durban in Südafrika.
In Brasilien untersucht das DLR-Forschungsflugzeug Falcon die Entstehung von Stickoxiden durch Blitze in tropischen Gewittern.

Ortung

Blitze rufen starke elektromagnetische Störungen im Funkverkehr hervor. Auf "leeren" Radiofrequenzen der Lang- und Mittelwelle machen sich Blitze durch deutliches Knacken bemerkbar. Dieses Phänomen wird zur automatischen Ortung von Blitzeinschlägen genutzt. Die Ergebnisse sind auf diversen Internetseiten als Blitzkarten erhältlich. Gegen Versicherungsbetrug nutzen Versicherungen Meldesysteme von z. B. Siemens oder des österreichischen bis Mitteldeutschland reichenden ALDIS, welche Blitzeinschläge auf wenige Meter genau orten.

Schäden durch Blitze

Blitze richten in der Bundesrepublik jährlich Schäden in Höhe von mehreren Millionen Euro an. Durch Blitzeinschlag können Elektrische Geräte und Computer beschädigt werden, sowie Haus- und Waldbrände entstehen. Zum Schutz werden viele Gebäude mit Blitzableitern versehen, die aber von den Versicherungsgesellschaften nicht ausdrücklich verlangt werden. Ihre Wirksamkeit hängt vor allem von der fachgemäßen Erdung ab. Die am Markt angebotenen Schutzvorrichtungen für PCs sind jedoch nicht immer wirksam. Dies liegt auch daran, dass eine Schädigung durch die von Blitzen verursachten extrem hohen Feldstärken in ihrer Nähe verursacht werden kann und deshalb Schutzvorrichtungen wirkungslos bleiben.

Während eines Gewitters ist man im Freien - vor allem auf erhöhten Standpunkten - der Gefahr des Blitzschlags ausgesetzt. Am sichersten ist man in einem Haus oder im Auto, da beide wie ein Faradayscher Käfig funktionieren und den Blitz außen ableiten. Tödlicher Blitzschlag ist in der BRD selten geworden, und die durchschnittlich 3 bis 7 Todesopfer pro Jahr ließen sich durch weitere Vorsichtsmaßnahmen noch weiter reduzieren.
Im 19. Jahrhundert wurden in Deutschland noch an die 300 Personen jährlich vom Blitz getötet, da wesentlich mehr Menschen auf freiem Feld arbeiteten und sie sich nicht in Faradaysche Käfige (Autos, Traktoren, Mähdrescher...) zurückziehen konnten - siehe [1]. Im Jahr 2002 starben in Deutschland drei Menschen an einem Blitzschlag.

Beim Einschlag eines Blitzes kann eine elektrische Spannung von mehr als 100 Millionen Volt zwischen Wolken und Erde vorliegen, beim Blitzschlag fließt ein Strom von etwa 20.000 bis 200.000 Ampere. Die Temperatur am Einschlagpunkt, wo bei Metallen ein kleines Loch geschmolzen wird, kann bis über 25.000° Celsius betragen. Derartige Spannungsunterschiede bauen sich durch Reibungsvorgänge zwischen Eiskristallen in Gewitterwolken auf.

In den USA gibt es eine Selbsthilfegruppe blitzschlaggeschädigter Menschen und deren Angehöriger.

Ein besonders spektakulärer Blitzschaden ereignete sich 1970 in Orlunda, Schweden. Damals zerstörte ein Blitzschlag den Fußpunktisolator des 250 Meter hohen Zentralmast des Langwellensenders und brachte diesen hierdurch zum Einsturz.

Verhalten bei Gewittern

Obwohl die instinktive Blitzangst manchmal übertrieben wird, ist es eindeutig am besten, bei Gewitter ein Gebäude aufzusuchen. Wenn das – z. B. im Gebirge – nicht möglich ist, sollte man sich möglichst in eine Mulde oder in eine Höhle ducken. Dabei ist unbedingt zu beachten, dass insbesondere in engeren Mulden und in Höhleneingängen das Risiko von einem Blitzeinschlag betroffen zu werden höher sein kann, als auf offenem Terrain, da bei einem Blitzeinschlag in der Nähe die sich verteilende Elektrische Ladung nicht der Krümmung des Bodens bzw. Höhlenwand folgt, sondern die "Lücke" direkt als Sekundärblitz überspringt, und dann in dort befindliche Menschen einschlagen kann.

Oft falsch verstanden und lebensgefährlich ist hingegen ein altes Sprichwort: Vor Eichen sollst du weichen, Buchen sollst du suchen. Der Ursprung dieses Sprichworts könnte darin liegen, dass Buchen eine glatte und Eichen eine zerklüftete Rinde besitzen. Dadurch wird bei Regen der Blitz an der durchgängig feuchten Rinde der Buche besser an der Außenseite in den Boden geleitet, als bei der durch ihre tiefen Furchen nicht durchgänig feuchten Eichenrinde. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit bei Buchen geringer als bei Eichen, dass der Baumstamm beim Blitzeinschlag im unteren Teil explodiert und den Schutzsuchenden verletzt. Ein anderer Grund liegt im unterschiedlichen Wurzelaufbau der Bäume. Die lange Pfahlwurzel der Eiche, die oft bis ins Grundwasser ragt, läßt den Baum häufiger zum Blitzopfer werden als die flachere Herzwurzel der Buche. Bei einer Buche hinterlässt ein Blitzeinschlag typischerweise einen senkrechten, einige Zentimeter breiten, etwas spiralförmigen Schnitt in der Borke. Richtig ist, alle Bäume, hohe Holzmasten, Gewässer und metallische Gegenstände, die in die Höhe ragen, bei einem Gewitter zu meiden. Auch im Wald sollten Kammlagen und hohe Bäume gemieden werden und nur dann, wenn man sich tief im Wald befindet, gilt das oben erwähnte Sprichwort,

Wenn man auf weiter Flur von einem Gewitter überrascht wird, sind Schuhe mit gut isolierenden Sohlen (z. B. aus dickem Gummi) ein Vorteil, wenn man sich zudem richtig verhält:

Es wird empfohlen, auf Zehenspitzen in die Hocke zu gehen, sich aller metallischen Gegenstände zu entledigen und den Kopf einzuziehen. Halten sie sich dabei von Regenpfützen fern. Dieses Verhalten bewirkt zweierlei: durch die hockende Haltung wird man für den Blitzschlag ein unattraktiveres Ziel als wenn man aufrecht stünde, und durch die nahe zusammengestellten Füße (möglichst auf Zehenspitzen) wird die Kontaktfläche zur Erde minimiert, was insbesondere bei indirekten Blitzschlägen vor übermäßigen Spannungsaufbau schützt.

Hinlegen oder breitbeiniges Hinstellen erhöhen das Risiko bei einem indirekten Blitzeinschlag von dem sich im Boden verteilenden Blitz als "Verteiler" genutzt zu werden, da der menschliche Körper den Strom aufgrund des Salzgehalts besser leitet als der Boden, auch wenn dieser nass ist.

Gegen einen direkten Blitzschlag können aber auch mehrere Zentimeter dicke Gummisohlen nicht schützen.

Erscheinungsformen des Blitzes

Datei:Blitz.JPG
Nächtliches Gewitter am Fuß des Südschwarzwalds

Linienblitz

Ein Linienblitz hat keine Verzweigungen. Er sucht sich jedoch nicht immer den direkten Weg zum Erdboden, sondern kann auch Bögen beschreiben, die aus einer bestimmten Perspektive als Knoten und kreisförmige Verschlingungen gesehen werden können.

Datei:Flächiger Wolke-Erde-Blitz.jpg
Flächenblitz in Norman, Oklahma 1978

Flächenblitz

Ein Flächenblitz zeigt zahlreiche Verzweigungen vom Hauptblitzkanal.

Perlschnurblitz

Der Perlschnurblitz ist eine Blitzart, bei der der Blitz nicht durch einen zusammenhängenden Blitzkanal gekennzeichnet ist, sondern in einzelne, meist nur wenige Meter lange Segmente zerfällt. Diese einzelnen Segmente leuchten heller und meist auch etwas länger als ein "normaler" Linienblitz. Von weitem betrachtet sehen die kurzen, leuchtenden Segmente des Blitzes wie eine Perlenschnur aus.

Perlschnurblitze sind wie Kugelblitze sehr seltene Blitzphänomene. In Laboren ist es bereits gelungen, Perlschnurblitze künstlich zu erzeugen. Dennoch hat man ihre Bildung noch nicht restlos verstanden: als Ursache könnten Instabilitäten im Plasma des Blitzkanals in Frage kommen.

Kugelblitz

Die Existenz des Kugelblitzes ist eine heute noch umstrittene Frage. Die nur selten berichteten Phänomene können angeblich wegen eines Quantentunneleffektes durch Mauern dringen und sich langsam in Bodennähe bewegen. Künstliche Kugelblitze sollen in einigen Laboren schon erzeugt worden sein.

Wetterleuchten

Wetterleuchten auf Formentera 2004

Unter Wetterleuchten (mittelhochdt. leichten, nicht verwandt mit leuchten, wie oft angenommen) wird meist der Widerschein von Blitzen verstanden, wenn man die Blitze selbst nicht sieht. Es kann bei einem weit entfernten Gewitter oder bei Blitzen, die sich innerhalb von Wolken entladen, entstehen. Den Donner hört man wegen der großen Distanzen meistens nicht mehr deutlich.

St.-Elms-Feuer

Ein St.-Elms-Feuer (auch: Elmsfeuer) ist eine Funkenentladung. Sie tritt meist an hohen Gegenständen wie Fernsehantennen, Schiffsmasten oder Gipfelkreuzen auf. Bergsteiger berichten öfters, dass diese sog. Spitzenentladung auch am Pickel auftritt, den man daher bei Gewittern nicht in der Hand tragen soll.

Blue Jets und Red Sprites

Red Sprite

Bei den blauen und roten "Kobolden" handelt es sich um Blitzentladungen in der Ionosphäre über großen Gewitterwolken. Sie werden vermutlich durch Wolkenblitze induziert und laufen innerhalb von Millisekunden als rötlicher Ring aus etwa 90 km Höhe pilzförmig nach unten.
In rund 40 km Höhe entstehen auf ähnliche Weise die blauen kegelförmigen Entladungen, die aber Zehntelsekunden dauern können und nach verschiedenen Quellen auf- oder abwärts laufen. Erste Berichte stammen aus dem Jahr 1989, doch vermutlich gab es schon vor dieser Zeit Beobachtungen von Blue Jets und Red Sprites. Flugzeugpiloten, die dieses Phänomen beobachten konnten, behielten es für sich, da sie sonst eventuell außer Dienst gestellt worden wären, wenn man ihnen nicht geglaubt hätte.

Extragalaktische Blitze

In der höheren Atmosphäre werden durch energiereiche Gammastrahlung von Galaxien und Supernova-Überresten schwache Lichtblitze ausgelöst. Diese Tscherenkow-Blitze sind allerdings kaum sichtbar, obwohl die Gammaquanten enorme Energien von einigen Tera-eV haben (billionenmal mehr als Licht). Diese Blitze untersucht man mit sogenannten Tscherenkow-Teleskopen mit deren Hilfe man nun auch vom Erdboden aus indirekt extraterrestrische Gammastrahlenquellen beobachten kann, da Gammastrahlen von der Erdatmosphäre absorbiert werden. Die Beobachtung der Tscherenkow-Blitze mittels Tscherenkow-Teleskopen hat somit neue Möglichkeiten in der vorher nur weltraumgestützten Gammaastronomie eröffnet. Das erste große Tscherenkow-Teleskop, das High Energy Stereoscopic System ging 2002 in Namibia in Betrieb, welches die "Blauen Blitze" mit einer Anordnung von 4 großen Spiegeln registriert. Das Projekt wird von 70 Wissenschaftlern aus Europa und Afrika betreut (aus Deutschland das MPI Heidelberg und 4 norddeutsche Institute). Die Forschungen begannen 1989 am Whipple-Tscherenkow-Teleskop, einem Metallspiegel von etwa 10 Metern. Interessant ist der Effekt weniger für Meteorologen als für Astronomen, weil diese "nichtthermische Strahlung" im gesamten Universum etwa soviel wie die Lichtstrahlung ausmachen könnte.

Geschichte der Blitzforschung

  • Die Etrusker sahen in Blitzen Orakel, durch die sie die Zukunft zu deuten versuchten. Die sogenannten libri fungurales erläuterten die Deutung der Blitze. Schon zu dieser Zeit (zwischen 800-600 v. Chr.) wurden Blitze kategorisiert und beobachtet.
  • Benjamin Franklin (1706–1790) hat einen per Metalldraht geerdeten Lenkdrachen zu Gewitterwolken aufsteigen lassen. Er erkannte, dass hinter einem Blitz eine elektrische Ursache steckt. Er baute im Jahre 1752 den ersten Blitzableiter.
  • Ein altes deutsches Sprichwort gilt nur für den Aufenthalt im Wald:
Vor den Eichen sollst du weichen
Und die Weiden sollst du meiden.
Zu den Fichten flieh mitnichten,
Doch die Buchen musst du suchen!

Baurecht und Blitzschutz

Gesetzliche Vorgaben

Bauliche Anlagen, bei denen nach Lage, Bauart oder Nutzung Blitzschlag leicht eintreten oder zu schweren Folgen führen kann, sind mit dauernd wirksamen Blitzschutzanlagen zu versehen. (Deutschland – Auszug aus der Musterbauordnung 2002)

Bauliche Anlagen sind mit Blitzschutzanlagen, die den Erfahrungen der technischen Wissenschaften entsprechen, auszustatten, wenn sie durch ihre Höhe, Flächenausdehnung, Höhenlage oder Bauweise selbst gefährdet oder widmungsgemäß für den Aufenthalt einer größeren Personenzahl bestimmt sind oder wenn sie wegen ihres Verwendungszweckes, ihres Inhaltes oder zur Vermeidung einer Gefährdung der Nachbarschaft eines Blitzschutzes bedürfen. (Österreich – Auszug aus der Bauordnung Wien)

Diese oder ähnliche Vorgaben finden sich in vielen Landesbauordnungen. Der Gesetzgeber schreibt damit für jedes Bauvorhaben eine Einzelfallprüfung vor. Es ist zu prüfen, ob Blitzschlag leicht eintreten (z. B. anhand der Lage und Ausdehnung des Gebäudes) oder zu schweren Folgen (z. B. Personenschaden) führen kann.

Risikoanalyse - Blitzschutznachweis

Der Gesetzgeber benennt keine technische Regel, nach der diese Prüfung durchgeführt werden soll. Im Prinzip ist daher der Bauherr/Architekt in der Nachweisführung frei, soweit alle im Gesetzestext genannten Einflussgrößen (Lage, Bauart, Nutzung, Folgen) detailliert betrachtet werden. In der Praxis erweist sich das als gar nicht so einfach, weil in der Regel die erforderlichen Abschätzungen eine entsprechende Erfahrung voraussetzen. Welcher Arbeitsaufwand hinter einer fachgerechten Risikobeurteilung stecken kann, lässt sich anhand der DIN V VDE V 0185 Teil 2 ablesen. Diese Norm erfüllt vom Umfang die gesetzlichen Mindestanforderungen, die Anwendung ist also baurechtlich zulässig. Andererseits ist der Aufwand für die Datenerfassung und Berechnung für viele Bauvorhaben unangemessen hoch. Besonders problematisch ist jedoch, dass in Einzelfällen die Berechnungsergebnisse nicht mit dem geltenden Baurecht in Einklang stehen. Der Gesetzgeber oder die Rechtsprechung haben für bestimmte Gebäudetypen/Nutzergruppen andere Festlegungen getroffen.

Eine Berechnung kann daher immer nur der erste Schritt der Risikobetrachtung sein, in einem weiteren Schritt sind noch baurechtliche Besonderheiten zu berücksichtigen.

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