Abschnitt 1.1 - 1 Gewitter
1.1 Entstehung von Gewittern
Die Gewittertätigkeit ist von räumlichen, saisonalen und tageszeitlichen Faktoren abhängig. In Deutschland bilden der Voralpenraum und die topografischen Höhenzüge, wie z. B. Schwarzwald, Schwäbische Alb, Fränkische Alb, die Ballungsräume im Rhein-Main- und Ruhr-Gebiet sowie Großstädte durch die von ihnen verursachte Luftmassenhebung Schwerpunkte bei der Gewittertätigkeit.
In unseren Breiten wird speziell in den Sommermonaten Mai bis August regelmäßig eine Zahl von 20 Gewittertagen pro Monat überschritten. Die höchste Anzahl von Blitzentladungen tritt meist im Monat Juli auf, gefolgt von den Monaten Juni und August.
Im Tagesverlauf sind die wenigsten Gewitterereignisse in den Vormittagsstunden zu beobachten. Das Maximum der Gewittertätigkeit wird meist zwischen 15 und 17 Uhr erreicht.
Für die Entstehung von Gewittern sind drei Faktoren von entscheidender Bedeutung:
- 1.
Labile Schichtung der Atmosphäre
- 2.
Hohe Luftfeuchtigkeit
- 3.
Aufsteigende Luftströme (Hebung)
Die von der erwärmten Erde aufsteigenden Luftströme wie auch die durch Gebiete unterschiedlichen Luftdrucks hervorgerufenen Strömungen erreichen hohe Geschwindigkeiten. Diese Mechanismen sind ursächlich für die Entstehung von Wärme- oder Frontgewittern. Die Luftströme enthalten Wasserdampf, der in größeren Höhen wegen der Temperaturabsenkung zu Wassertropfen kondensiert. Die frei werdende Kondensationswärme liefert die notwendige Energie, die die Strömung sehr große Höhen erreichen lässt. Die entstehenden Wassertropfen werden im Luftstrom mitgerissen. In Bereichen mit Lufttemperaturen von unter 0° unterkühlen und gefrieren die Wassertropfen schließlich. Dabei bildet sich zunächst eine Oberflächeneisschicht, während im Inneren noch flüssiges Wasser vorliegt. Es entsteht eine, durch den Temperaturgradienten hervorgerufene, Diffusion von positiven Ionen nach außen, während der innere Kern des Tropfens überwiegend negative Ladungen trägt. Durch gegenseitige Zusammenstöße der Wassertropfen und Eispartikel untereinander, kann der Eisbelag in Form kleiner Partikel abgespalten werden. Diese positiv geladenen kleinen Eispartikel geringerer Masse werden durch die Luftströmungen in größere Höhen gebracht als die verbleibenden größeren negativ geladenen Wassertropfen.
Gewitterwolken haben unterschiedlich geladene Bereiche, wobei ausgedehnte negative Raumladungszonen meist in geringen Höhen bis etwa 6 km zu beobachten sind. Positive Raumladungszonen sind in Gewitterwolken meist in Höhen oberhalb von 8-10 km anzutreffen. Der schematische Aufbau einer Gewitterwolke ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abb. 1
Schematischer Aufbau einer Gewitterwolke
In Bodennähe entsteht durch negative Wolkenlage eine positive Raumladungszone, die bei Überschreitung einer kritischen Bodenfeldstärke durch Koronaeffekte rasch verstärkt wird. Diese Koronaeffekte treten dabei an allen "spitzen" Objekten, d. h. Objekten mit kleinen Krümmungsradien, am Boden auf, wie z. B. Gräser, Büsche, Bäume, Gebäude, Maste. Hierdurch wird ein starker Anstieg von positiven Ladungsträgern in Bodennähe verursacht, der die Ausbildung von Fangentladungen und damit die Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen wesentlich erhöht. Gleichzeitig wird durch diesen Effekt der Anstieg der elektrischen Feldstärke in Bodennähe auf Werte von etwa 10-20 kV/m begrenzt.
Die elektrische Ladung einer Gewitterwolke beträgt im Mittel etwa 10-20 C (Coulomb: 1 C = 1 A • 1 s), wobei in Einzelfällen auch Ladungen von bis zu 300 C gemessen werden konnten.
Die in der Gewitterwolke enthaltenen Ladungen sind an Wassertropfen, Eiskristalle oder Staubteilchen gebunden. Sie sind durch Luftzwischenräume voneinander isoliert und bilden in ihrer Gesamtheit ein elektrisches Feld zur Erde, einer benachbarten Wolke oder einem Wolkenteil mit entgegengesetzter Polarität aus. An den Rändern der Wolke und in unmittelbarer Umgebung der Ladungsträger treten stark inhomogene elektrische Felder auf, deren Feldstärke mit 20-25 kV/cm die Entladungseinsetzspannung der Luft überschreitet, wodurch eine Blitzentladung eingeleitet wird.