Blitz und Donner: Wie entstehen sie?

Was Sie hier sehen

Jeder hat schon einmal die Sekunden zwischen einem Blitz und dem darauffolgenden Donner gezählt. Diese Ausstellung versetzt Sie in eine kleine Stadt in einer regnerischen Nacht, mit einem Gewitter in einer von Ihnen gewählten Entfernung, und lässt Sie tatsächlich mitzählen. Alles in der ersten Szene hat seine wirkliche Größe: die Häuser, der Kirchturm, die Menschen auf dem Weg zu ihrem Auto, die Gewitterwolke und der Blitzkanal. Die Wolkenbasis liegt etwa 1,5 km hoch, die Obergrenze bei etwa 12 km, und ein Kanal von der Wolke bis zum Boden ist mehrere Kilometer lang. Die Menschen daneben sind 1,7 m groß.

Die anderen sechs Szenen zerlegen den Blitz in seine Bestandteile. Eine schneidet die Gewitterwolke auf, damit Sie das Eis sehen können, das sie auflädt. Eine verlangsamt einen einzelnen Blitz bis zu einer Million Mal, bis der schwache gestufte Leitblitz, die aufsteigenden Fangentladungen und die helle Hauptentladung nacheinander ablaufen. Eine zeigt die Blitzarten vom Boden bis in 90 km Höhe, einschließlich der roten Sprites und blauen Jets, die erst 1989 beziehungsweise 1994 erstmals aufgezeichnet wurden. Eine setzt einen Blitzableiter auf ein Haus. Eine verfolgt den Schall des Donners Stück für Stück auf einer Karte. Die letzte zeigt die ganze Erde mit einem Punkt für jeden Blitz, etwa 44 pro Sekunde.

Unter der Bühne finden Sie die Sicherheitsregeln der Korea Meteorological Administration (KMA) und des US National Weather Service (NWS), eine Stoppuhr zum eigenen Mitzählen, 16 Aufgaben, ein Blitzbuch mit 47 Einträgen, versteckte Funde, Karten zur Berichtigung verbreiteter Irrtümer und ein Protokoll der beobachteten Einschläge.

Die ersten zehn Sekunden

Die Ausstellung beginnt bei Nacht mit einem Gewitter in 3,4 km Entfernung. Etwa eine Sekunde nach dem Erscheinen der Szene durchzieht ein Kanal den Himmel, von dem Verzweigungen ausgehen, und erhellt die Wolke von innen. Ein Zähler in der Bühnenmitte beginnt im Augenblick des Blitzes. Licht legt die 3,4 km in etwa 11 Mikrosekunden zurück; der sichtbare Blitz entspricht deshalb für alle praktischen Zwecke dem Zeitpunkt, zu dem der Blitz entstand. Der Donner braucht 9,9 Sekunden. Bei seiner Ankunft rechnet der Zähler die Zeit in eine Entfernung um: 9,9 Sekunden bei 343 m pro Sekunde ergeben 3,4 km.

Ziehen Sie, um sich umzusehen. Sie stehen auf Augenhöhe am Rand eines Feldes, mit Häusern hinter Ihnen und links, einem weiter entfernten Kirchturm mit Blitzableiter und einer Stromleitung entlang der Straße. Das Gewitter steht über dem Feld. Weitere Einschläge folgen von selbst; der Regler „Gewitteraktivität“ bestimmt ihre Anzahl pro Minute, und die Schaltfläche „Einschlag“ auf der Bühne fügt jederzeit einen hinzu.

Die Sekunden zählen

Die Faustregel lautet: Schall legt ungefähr einen Kilometer in drei Sekunden zurück oder eine Meile in fünf. Das National Severe Storms Laboratory (NSSL) nennt beide Angaben: Schall schafft pro Sekunde ungefähr ein Drittel Kilometer oder ein Fünftel Meile. Daher ergibt das Teilen der Sekunden durch 3 Kilometer und das Teilen durch 5 Meilen. Der NWS schreibt: „5 Sekunden = 1 Meile, 15 Sekunden = 3 Meilen, 0 Sekunden = sehr nah“.

Diese Regel funktioniert, weil Licht etwa eine Million Mal schneller ist als Schall. Der Blitz erreicht Sie beinahe sofort; der Donner ist der einzige Teil des Ereignisses, dessen Ausbreitung Zeit braucht. Die Ausstellung zeigt beide Zahlen für jeden Einschlag: die aus Entfernung und Temperatur genau berechnete Verzögerung und die Entfernung nach der Faustregel, die sich aus dieser Verzögerung ergibt. Bei 20 °C unterscheiden sie sich um etwa 3 %, weil Schall 343 m pro Sekunde zurücklegt, nicht 333.

Sie können es unter der Bühne selbst versuchen. Drücken Sie die erste Schaltfläche, sobald Sie einen Blitz auf der Bühne sehen, und die zweite, wenn Sie den Donner hören oder der Zähler seine Ankunft anzeigt. Die Ausstellung rechnet Ihre Zeit in eine Entfernung um und vergleicht sie mit der tatsächlichen. Liegen Sie innerhalb von 15 %, ist die Aufgabe gelöst. Dieselben beiden Schaltflächen funktionieren auch bei einem echten Gewitter, solange Sie es aus einem Gebäude beobachten.

Warum die Antwort von der Temperatur abhängt

Die Schallgeschwindigkeit in Luft hängt von der Temperatur ab, nicht vom Druck. Die Ausstellung verwendet die Formel für ideale Gase: 331,3 m/s bei 0 °C, multipliziert mit der Quadratwurzel der absoluten Temperatur geteilt durch 273,15 K. Daraus folgen 343,2 m/s bei 20 °C, etwa 325 m/s bei −10 °C und etwa 352 m/s bei 35 °C, eine Zunahme von ungefähr 0,6 m/s je Grad.

Derselbe Zählwert bedeutet daher in einer kalten Nacht und an einem heißen Nachmittag etwas unterschiedliche Entfernungen. Drei Sekunden bei −10 °C entsprechen 976 m; bei 35 °C sind es 1056 m, etwa 80 m mehr. Der Regler „Lufttemperatur“ verändert die Schallgeschwindigkeit überall in der Ausstellung, auch auf der Donnerkarte und im Inneren der Wolke, wo er die Nullgradgrenze verschiebt.

Wie heiß ein Blitzkanal wird

Ein Blitz selbst ist eine Ladungsbewegung und hat keine Temperatur. Heiß wird das Material, durch das der Strom fließt. Luft leitet sehr schlecht und erhitzt sich deshalb heftig. Der NWS nennt für die Luft im Kanal 50.000 °F und beschreibt das als etwa fünfmal heißer als die Sonnenoberfläche. NASA gibt für die sichtbare Oberfläche der Sonne, die Photosphäre, etwa 10.000 °F (5500 °C) an. In Celsius entsprechen 50.000 °F ungefähr 27.760 °C.

Das NSSL nennt einen Bereich von 18.000 bis 60.000 °F und sagt, die Erwärmung geschehe „in nur wenigen Millionstelsekunden“. Der jährliche Blitzbericht der KMA nennt 20.000 bis 30.000 °C. Diese Zahlen unterscheiden sich, weil im Kanal keine einheitliche Temperatur herrscht: Er ist am heißesten beim Strommaximum und kühlt danach rasch ab; verschiedene Verfahren erfassen unterschiedliche Augenblicke.

Schlägt ein Blitz in einen Baum ein, verwandelt die Hitze das Wasser im Inneren in Dampf, der einen Rindenstreifen absprengen oder den Stamm spalten kann. Trifft er Sand oder Boden, kann er diesen entlang des Stromwegs zu einer glasigen Röhre schmelzen. Diese Röhren heißen Fulgurite; einer erscheint in der Blitzableiterszene, wenn ein Einschlag den offenen Boden erreicht.

Wie eine Gewitterwolke ihre Ladung erhält

Ein Gewitter wächst dort, wo warme, feuchte Luft kräftig genug aufsteigt, um eine Wolke weit über die Nullgradgrenze zu tragen. Der NWS beschreibt das Innere eines ausgereiften Gewitters: kleine Eiskristalle im oberen Teil, ein Gemisch aus Eiskristallen und kleinen Hagelkörnern in der Mitte sowie Regen und schmelzender Hagel weiter unten.

Die Ladung entsteht in der Wolkenmitte, wo drei Dinge zusammentreffen: Graupel, also weicher Hagel von einem Viertelmillimeter bis wenigen Millimetern Durchmesser, der durch das Einfangen unterkühlter Tröpfchen wächst, kleine Eiskristalle und unterkühltes Wasser. Wenn Graupel und Eiskristalle zusammenstoßen und wieder auseinanderprallen, wandert etwas Ladung von einem zum anderen. Das NSSL nennt dies den nichtinduktiven Prozess, weil er zum Einsetzen kein elektrisches Feld benötigt, und merkt an, dass „die genauen physikalischen Mechanismen nicht vollständig verstanden sind“.

In welche Richtung die Ladung wandert, hängt von der Temperatur ab. Laborarbeiten, beginnend mit Takahashi 1978, ergaben, dass Graupel bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt positive Ladung annimmt und in kälteren Bereichen negative. Das NSSL sagt dasselbe in einfachen Worten. Die Temperatur des Vorzeichenwechsels hängt davon ab, wie viel flüssiges Wasser die Wolke enthält; die Ausstellung verwendet −10 °C und kennzeichnet sie durch einen gelben Ring.

Wo die Ladung landet

Sobald die Teilchen geladen sind, sortiert sie der Aufwind. Leichte Eiskristalle steigen schneller als schwerer Graupel; deshalb sammelt sich positive Ladung hoch in der Wolke und im Amboss, während negative Ladung am Graupel in der Mitte bleibt. Darunter bildet sich oft ein kleinerer positiver Bereich, wo Graupel in etwas wärmerer Luft positive Ladung erhält. Der Boden unter dem Gewitter lädt sich als Reaktion auf die negative Ladung darüber positiv auf.

Die Szene im Wolkeninneren zeigt dies. Die Höhen sind real; die Teilchen sind Tausende Male größer als in Wirklichkeit gezeichnet, und die Uhr läuft schneller. Die Ringe markieren 0, −10, −20 und −40 °C. Sie folgen ausgehend von der Bodentemperatur einem standardmäßigen Temperaturabfall von 6,5 °C pro Kilometer, weshalb ein wärmerer Nachmittag alle Ringe anhebt. Jeder Funke markiert einen Zusammenstoß: blau, wo Graupel negative Ladung aufnahm, rot, wo er positive erhielt. Ist die negative Hauptladung voll, entlädt sich die Wolke, meist in ihrem Inneren, manchmal zum Boden. Der Regler „Aufwind“ bestimmt, wie kräftig die Luft aufsteigt und damit wie häufig Zusammenstöße stattfinden.

Gewitter erzeugen nicht nur Blitze. Das NSSL erklärt, dass sie im globalen elektrischen Stromkreis wie Batterien wirken und die Erdoberfläche negativ sowie die Luft darüber positiv halten. Bei schönem Wetter besteht nahe dem Boden ein elektrisches Feld von etwa 100 V/m. Ohne Gewitter würde dieses Gleichgewicht laut NSSL in etwa fünf Minuten verschwinden.

Der gestufte Leitblitz

Ein Blitz zum Boden beginnt nicht am Boden. Die meisten, wenn nicht alle Blitze beginnen in der Wolke. Bei der häufigen Art wächst ein Kanal negativer Ladung, der gestufte Leitblitz, nach unten. Das NSSL beschreibt, wie er in etwa 50 Yard langen Abschnitten zickzackförmig nach unten verläuft, sich dabei gabelt, für das Auge unsichtbar bleibt und den Boden „in weniger Zeit erreicht, als ein Augenzwinkern dauert“.

Jede Stufe entsteht dort, wo die vorausliegende Luft bereits durch zahlreiche schwache Fangentladungen ionisiert wird; die Fangentladung mit dem stärksten Strom wird zur nächsten Stufe. Eine Übersichtsarbeit von Rakov (2013) nennt eine mittlere Abwärtsgeschwindigkeit von etwa 200 km/s. Ein 6 km langer Kanal braucht ungefähr 30 Tausendstelsekunden.

Die Zeitlupenszene lässt einen Leitblitz auf dieselbe Weise wachsen. Unter der Wolkenbasis beginnend führt jede Stufe etwa 46 m in eine leicht neue Richtung, zum Boden hingezogen, aber umherschweifend; Seitenäste zweigen ab und erlöschen. Der Zeitpunkt, zu dem der Leitblitz jeden Punkt erreicht, entspricht der Weglänge geteilt durch 200 km/s. Die Bühne spielt den Leitblitz unabhängig von der Einstellung des Zeitlupenreglers bis zu 500-mal langsamer ab, sodass ein Leitblitz, der in Wirklichkeit einige Zehn Millisekunden braucht, in ungefähr 10 Sekunden herabkommt; der Regler bestimmt die Verlangsamung der Hauptentladung.

Fangentladungen und der Augenblick des Kontakts

Nähert sich der Leitblitz dem Boden, wird das elektrische Feld an den Spitzen hoher Gegenstände stark genug, dass diese Funken nach oben aussenden. Nach Angaben des NSSL beginnt das, wenn der Leitblitz weniger als ungefähr 100 Yard über dem Boden liegt; Bäume, Büsche und Gebäude tun dies gleichermaßen. Höhere Gegenstände erzeugen wahrscheinlicher den aufsteigenden Kanal und werden deshalb auch wahrscheinlicher getroffen.

Meist trifft nur eine Fangentladung den Leitblitz. Der NWS zählt Fangentladungen zu den fünf Arten, wie Blitze Menschen verletzen: Wenn sich der Hauptkanal entlädt, entladen sich auch alle anderen Fangentladungen in der Umgebung. Eine Person, die Teil einer solchen Entladung ist, kann daher verletzt werden, auch wenn sich der Blitz nicht durch sie verbunden hat. In der langsamen Szene senden der Blitzableiter, der Baum, der Mast und sogar der Mensch Fangentladungen aufwärts; bei ×100.000 können Sie verfolgen, welche den Kontakt herstellt.

Die Hauptentladung

Sobald sich der Leitblitz verbindet, beginnt ein kräftiger Strom zu fließen. Dies ist die Hauptentladung: eine Welle aus Strom und Licht, die vom Boden den Kanal wieder hinaufläuft. Sie ist der helle Teil, den Sie sehen. Das NSSL gibt ihre Geschwindigkeit mit ungefähr 60.000 Meilen pro Sekunde an. Messungen mit einer Streakkamera von Idone und Orville (1982) ergaben nahe dem Boden einen Mittelwert von 1,1 × 10⁸ m/s, etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit, wobei erste Hauptentladungen mit 9,6 × 10⁷ m/s etwas langsamer waren.

Bei dieser Geschwindigkeit steigt die Hauptentladung in 10 Mikrosekunden, einer Hunderttausendstelsekunde, ungefähr 1,1 km auf. Ein 6 km langer Kanal leuchtet in etwa 55 Mikrosekunden von unten bis oben auf. Deshalb reicht der Zeitlupenregler bis ×1.000.000: Bei dieser Einstellung dauert eine reale Mikrosekunde auf dem Bildschirm eine Sekunde, und Sie können das Licht im Kanal aufsteigen sehen.

Wie viel Strom fließt? Der NWS nennt für einen typischen Blitz etwa 300 Millionen Volt und 30.000 Ampere, verglichen mit 120 Volt und 15 Ampere in einem Haushaltsstromkreis. Das NSSL nennt 100 Millionen bis 1 Milliarde Volt. Der Regler „Scheitelstrom“ bestimmt den in der Blitzableiterszene verwendeten Strom zwischen 5 und 300 kA; 30 kA ist der häufig genannte Median für erste Hauptentladungen.

Warum Blitze flackern

Ein Blitz endet selten nach einer einzigen Hauptentladung. Nach der ersten kühlt der Kanal ab, lässt sich aber weiterhin leichter durchschlagen als frische Luft. Einige Zehn Millisekunden später läuft ein Pfeilleitblitz ohne Stufen denselben Weg hinab, gefolgt von einer weiteren Hauptentladung. Laut NSSL kann ein negativer Blitz eine oder bis zu 20 Hauptentladungen haben; wir nehmen dies als Flackern wahr.

Die langsame Szene spielt die Entladungen der Reihe nach ab: Hauptentladung, Nachleuchten, eine Pause zwischen den Entladungen, Pfeilleitblitz, nächste Hauptentladung. Der Regler „Hauptentladungen“ bestimmt ihre Anzahl. Viele Blitze erreichen den Boden außerdem an mehr als einer Stelle. Der NWS verweist auf Untersuchungen in den Vereinigten Staaten und Japan, die bei mindestens der Hälfte der negativen und bei mehr als 70 % der positiven Blitze mehrere Bodenkontakte fanden.

Positive Blitze

Seltener führt ein Blitz positive Ladung zum Boden. Diese positiven Blitze kommen gewöhnlich aus dem oberen Gewitterteil oder dem Amboss, häufig weit entfernt vom Regen. Laut NSSL haben sie typischerweise nur eine Hauptentladung, führen mit größerer Wahrscheinlichkeit einen anhaltenden Strom und können als gefährlicher gelten, weil ihr Scheitelstrom oft stärker ist und ihr Dauerstrom länger anhält. Letzteres macht sie vermutlich auch wirksamer beim Entzünden von Bränden.

Blitze, die den Boden nie erreichen

Die meisten Blitze berühren den Boden nie. Blitze, die innerhalb einer Wolke bleiben, heißen wolkeninterne Blitze (IC); zwischen Wolken verlaufende heißen Wolke-Wolke-Blitze; Blitze, deren Kanäle in klare Luft hinausragen, ohne etwas zu treffen, heißen Wolke-Luft-Blitze. Das NSSL schätzt, dass ungefähr 5- bis 10-mal so viele Wolkenblitze wie Wolke-Erde-Blitze auftreten, und zeigt auf einem seiner Fotos Spinnenblitze: lange Kanäle, die an der Unterseite des Ambosses entlangkriechen. Ist ein Wolkenblitz in der Wolke verborgen, scheint die ganze Wolke zugleich aufzuleuchten; dies wird gelegentlich als Flächenblitz bezeichnet.

Die Szene „Blitzarten“ hat für jede Art eine Schaltfläche: negative und positive Wolke-Erde-Blitze, wolkeninterne Blitze, Wolke-Wolke-Blitze, Wolke-Luft-Blitze, Blitze aus heiterem Himmel, einen aufwärtsgerichteten Blitz von einem hohen Turm und vier Arten oberhalb der Wolke.

Blitze aus heiterem Himmel

Ein Blitz aus heiterem Himmel beginnt innerhalb der Wolke, verlässt das Gewitter seitlich, legt eine weite Strecke waagerecht durch klare Luft zurück und biegt dann nach unten ab. Er kann dort einschlagen, wo der Himmel darüber blau aussieht. Laut NWS können solche Blitze 10 bis 15 Meilen vom Gewitter entfernt einschlagen; allgemein schlagen Blitze häufig mehr als drei Meilen vom Gewitterzentrum entfernt ein, außerhalb des Regens. Das NSSL beschreibt einen Radfahrer, der unter wolkenlosem Himmel von einem Blitz getroffen wurde. Dieser kam wahrscheinlich aus einem etwa 10 Meilen entfernten Gewitter, das hinter Bergen verborgen lag.

Das ist der Grund für die einfachste Regel des NWS: Wenn Sie Donner hören können, befinden Sie sich wahrscheinlich in Einschlagreichweite.

Oberhalb der Wolken

Während des größten Teils der Geschichte wusste niemand, dass Gewitter auch weit über ihren Obergrenzen Licht erzeugen. In der Nacht vom 22. auf den 23. September 1989 zeichneten Forschende beim Test einer Schwachlichtkamera eine aufwärtsgerichtete Entladung über einem 250 km entfernten Gewitter auf; sie stieg von der Wolkenobergrenze bei 14 km in die klare Luft darüber (Franz, Nemzek und Winckler, 1990). Flugzeugkampagnen lieferten 1994 dann die ersten Farbbilder und Höhenmessungen.

Rote Sprites sind rote Leuchterscheinungen mit einem Hauptkörper typischerweise in 50 bis 90 km Höhe und 5 bis 30 km Breite. Darunter hängen schwache blaue Ranken. Die Erscheinung dauert weniger als 16 Millisekunden (Sentman und andere, 1995). Sie erscheinen gewöhnlich über starken positiven Wolke-Erde-Blitzen. Astronauten haben sie von der Internationalen Raumstation aus fotografiert.

Blaue Jets sind schmale Kegel blauen Lichts, die von der Wolkenobergrenze mit etwa 100 km/s aufsteigen und bei 40 bis 50 km enden (Wescott und andere, 1995). Gigantische Jets reichen weiter, von der Gewitterwolkenobergrenze bis zur unteren Ionosphäre; darüber berichteten Pasko und Kollegen 2002 sowie Su und Kollegen 2003.

Elves sind schwache Ringe, die in 75 bis 105 km Höhe aufleuchten, etwa 100 bis 300 km Durchmesser haben und weniger als eine Millisekunde dauern (Fukunishi und andere, 1996). Vermutlich handelt es sich um die untere Ionosphäre, die vom Radioimpuls eines starken Blitzes darunter erhitzt wird. Weil sie sich so schnell ausbreiten, wächst der Ring in der Ausstellung über mehr als eine Sekunde: Die Ereignisse in der oberen Atmosphäre werden etwa 100-mal langsamer als in Wirklichkeit gezeigt.

Gammastrahlen und Antimaterie

1994 zeichneten Detektoren des Compton Gamma Ray Observatory, das zur Beobachtung des fernen Universums gebaut worden war, kurze, intensive Gammastrahlenblitze von der Erde auf (Fishman und andere, 1994). Diese terrestrischen Gammastrahlenblitze stammen aus Gewittern; auf Millionen Elektronenvolt beschleunigte Elektronen geben beim Abbremsen Gammastrahlen ab. 2011 entdeckte die Raumsonde Fermi Strahlen aus Elektronen und Positronen, den Antimateriepartnern der Elektronen, die von Gewittern nach oben ausgesandt wurden (Briggs und andere, 2011). Ein kleiner goldener Satellit in der Blitzartenszene öffnet eine Karte darüber.

Wo Blitze einschlagen

Der NWS nennt drei Dinge, die bestimmen, wo ein Blitz einschlägt: Höhe, eine spitze Form und eine freistehende Lage. Metall beeinflusst den Einschlagort nicht. Es leitet allerdings Strom, weshalb der NWS empfiehlt, Abstand von Metallzäunen, Geländern und Metalltribünen zu halten.

Blitze schlagen außerdem durchaus zweimal an derselben Stelle ein. Das Empire State Building wird im Mittel 23-mal im Jahr getroffen. Das NSSL nennt zwei mögliche Gründe. Bei so vielen Blitzen liegen manchmal zwei Einschläge zufällig dicht beieinander; außerdem kann etwas an einem Ort, seine Höhe oder der Untergrund, ihn zu einer besseren Quelle aufsteigender Fangentladungen machen. In der ersten Szene gehört ein hoher Turm in der Stadt am Horizont zu den versteckten Funden; die Schaltfläche „Hoher Turm“ lenkt einen Blitz dorthin.

Enddurchschlagstrecke und Blitzkugel

Der letzte Sprung zwischen Leitblitz und Boden entscheidet sich erst, wenn der Leitblitz nahe ist. Ingenieure beschreiben dies mit der Enddurchschlagstrecke: dem Abstand von der Leitblitzspitze, bei dem ein Gegenstand die verbindende Fangentladung aussenden kann. Zeichnen Sie um die Spitze eine Kugel mit diesem Radius; der erste Gegenstand in ihrem Inneren wird getroffen.

Die traditionelle Formel im Blitzschutz lautet S = 10 I^0,65, mit S in Metern und dem Scheitelstrom I in Kiloampere. Cooray, Rakov und Theethayi (2007) berechneten aus gemessenen Strömen die Ladung des Leitblitzes und schlugen stattdessen S = 1,9 I^0,90 vor. Für den Median-Strom erster Hauptentladungen von 30 kA ergibt die alte Formel 91 m und die neue 41 m. Die Blitzableiterszene verwendet die neuere und zeigt beide in der Anzeige.

Derselbe Gedanke führt zum Blitzkugelverfahren zur Anordnung von Blitzableitern: Stellen Sie sich eine Kugel mit der Enddurchschlagstrecke als Radius vor, die über ein Gebäude rollt. Alles, was sie berührt, kann getroffen werden; alles, was sie nicht erreicht, ist geschützt. Bei einer Ableiterspitze in 11,7 m Höhe und einer 41-m-Kugel lässt die auf Ableiter und Boden ruhende Kugel einen Bodenring von ungefähr 28 m um den Ableiter unberührt. Die Formel lautet r = √(2Sh − h²), wobei h die Höhe des Ableiters ist.

Was ein Blitzableiter bewirkt

Benjamin Franklin schlug den Blitzableiter in den frühen 1750er-Jahren vor; der Blitzbericht der KMA datiert die Entdeckung, dass Blitze Elektrizität sind, auf seine Hypothese und seinen Versuchsvorschlag von 1752 (Krider, 2006, erzählt die Geschichte). Ein Ableiter zieht Blitze nicht aus großer Entfernung an. Er bietet dem Leitblitz einen besseren Kontaktpunkt als das Dach, und eine Leitung führt den Strom zu einem Erdungsstab hinab, sodass er nicht durch das Gebäude fließt.

In der Blitzableiterszene kommt der Leitblitz etwa 900-mal verlangsamt herab, mit seiner Enddurchschlagkugel um die Spitze. Bei aufgestelltem Ableiter gelangt fast immer zuerst der Ableiter in die Kugel; die Ableitung leuchtet, und vom Erdungsstab breiten sich Stromringe aus. Entfernen Sie den Ableiter mit der Schaltfläche „Ableiter“, trifft der Blitz stattdessen den Schornstein, den Baum, das Auto, den Zaun oder offenen Boden.

Wie Blitze Menschen verletzen

Der NWS nennt fünf Arten, auf die Blitze Menschen treffen. Bei einem direkten Einschlag wird die Person Teil des Hauptkanals; dies ist seltener, endet aber am wahrscheinlichsten tödlich. Ein Seitenüberschlag springt von einem höheren Gegenstand, gewöhnlich einem Baum, auf jemanden im Abstand von einem oder zwei Fuß über. Bodenstrom breitet sich vom Einschlag durch den Boden aus und verursacht die meisten Todesfälle und Verletzungen; er tötet auch viele Nutztiere, weil der Strom zwischen ihren Vorder- und Hinterbeinen einen langen Weg hat. Stromleitung trägt den Strom über Kabel, Wasserleitungen und Metall zu allen, die diese berühren. Deshalb rät der NWS, in Gebäuden keine schnurgebundenen Telefone zu benutzen und Abstand von Wasserleitungen zu halten. Fangentladungen, wie oben beschrieben, sind die fünfte Art.

In den Vereinigten Staaten töteten Blitze in den zehn Jahren von 2016 bis 2025 nach den vorläufigen Zahlen des NWS durchschnittlich 20 Menschen pro Jahr. Das NSSL beziffert die Wahrscheinlichkeit, in einem bestimmten Jahr getroffen zu werden, auf 1 zu 1,2 Millionen und über ein 80-jähriges Leben auf 1 zu 15.300. Vom Blitz getroffene Menschen tragen keine Ladung: Sie können sie gefahrlos berühren, Hilfe rufen und mit der Herz-Lungen-Wiederbelebung beginnen.

Donner: von der Stoßwelle zum Grollen

Donner beginnt als Stoßwelle. Die Hauptentladung erhitzt den Kanal in wenigen Millionstelsekunden, schneller, als die Luft sich ausdehnen kann, sodass der Druck im Inneren sprunghaft steigt. Dann bricht die Luft nach außen aus. Nach Angaben des NSSL ist die Störung auf den ersten ungefähr 10 Yard eine Stoßwelle und danach eine gewöhnliche Schallwelle.

Donner grollt, weil ein Kanal lang ist. Jeder seiner Abschnitte erzeugt seinen Schall im selben Augenblick, doch die Abschnitte sind unterschiedlich weit von Ihnen entfernt. Sie hören zuerst den nächsten Abschnitt, dann immer weiter entfernte; ein Kanal, der sich kilometerweit durch die Wolke zieht, kann das Grollen mehrere Zehn Sekunden lang andauern lassen. Der NWS ergänzt, dass ein scharfes Krachen oder Klicken bedeutet, der Kanal sei nahe vorbeigegangen, während Grollen auf einen mindestens mehrere Meilen entfernten Blitz hinweist. Das laute Dröhnen, das man manchmal hört, entsteht demnach durch den Hauptkanal, der den Boden erreicht.

Die Donnerszene zeichnet dies auf einer Karte. Der Kanal kommt zum Boden herab und verläuft dann innerhalb der Wolke mehrere Kilometer seitwärts. Jedes Stück sendet seine eigene Schallfront aus; die Ringe am Boden zeigen, wohin jede gelangt ist. Wenn ein Ring Sie passiert, hören Sie diesen Abschnitt, und die Kurve über der Bühne summiert sie. Der erste Donner kommt vom nächsten Stück, der letzte vom entferntesten; die Anzeige nennt beide Entfernungen und die Dauer des Grollens. Stehen Sie 3 km vom Einschlag entfernt, erreicht Sie der erste Schall nach etwa 9 Sekunden und der letzte mehr als 30 Sekunden nach dem Blitz.

Wie weit Donner trägt

Donner wird mit der Entfernung schwächer und verliert unterwegs seine hohen Töne. Das NSSL merkt an, dass höhere Frequenzen schneller von der Luft absorbiert werden. Daher klingt naher Donner wie Reißen, dann wie ein Krachen, und entfernter Donner wird zu tiefem Grollen; er kann bis zu 25 Meilen weit hörbar sein. Laut NWS hört man ihn ohne Hintergrundgeräusche gewöhnlich etwa 10 Meilen weit; Verkehr, Wind und Regen verkürzen diese Entfernung. Die KMA nennt ungefähr 20 km, manchmal etwa 40 km.

Der Regler „Hintergrundgeräusch“ verwendet ein einfaches Modell, keine Messung: Der Donnerpegel sinkt durch Ausbreitung und Luftabsorption; hörbar ist er dort, wo er lauter als das Geräusch ist. Bei 30 dB, einer ruhigen Nacht, liegt die Modellgrenze bei etwa 18 km; bei 60 dB, in Verkehrsnähe, bei ungefähr 4 km. Stellen Sie das Gewitter weiter entfernt ein, erscheint der Blitz ganz ohne Donner. Das nennt man Wetterleuchten, eine Bezeichnung, die eine besondere Art an heißen Nächten nahelegen kann. Laut NSSL handelt es sich um einen Blitz, der zu weit entfernt ist, als dass man seinen Donner hören könnte.

44 Blitze pro Sekunde

Die alte Lehrbuchantwort auf „Wie viele Blitze gibt es?“ lautete 100 Blitze pro Sekunde, eine Schätzung von 1925 aus Aufzeichnungen von Gewittertagen. Satelliten änderten das. Der Optical Transient Detector beobachtete fünf Jahre lang den ganzen Planeten und zählte durchschnittlich 44 ± 5 Blitze pro Sekunde, Wolken- und Wolke-Erde-Blitze zusammen (Christian und andere, 2003). Das sind etwa 1,4 Milliarden im Jahr. Dieselben Daten zeigen Blitze vor allem über Land, mit einem mittleren Verhältnis von Land zu Ozean von etwa 10 zu 1.

Die Erdszene zeigt einen Punkt für jeden Blitz, im Mittel 44 pro Sekunde, zufällig platziert, aber durch eine Karte gewichtet. Diese Karte ist ein Modell aus geografischer Breite, Land und Meer sowie den zehn veröffentlichten Brennpunkten; sie ist eine Schätzung für die Darstellung, nicht das Satellitenraster selbst. Der Zähler zeigt, wie viele Blitze seit dem Öffnen der Szene auf der Erde aufgetreten sind.

Blitzbrennpunkte

Mit 16 Jahren Beobachtungen des Lightning Imaging Sensor auf der Tropical Rainfall Measuring Mission erstellten Albrecht und Kollegen (2016) eine Rangliste der Orte mit den meisten Blitzen pro Quadratkilometer. Der Spitzenplatz liegt nicht in Afrika, wie frühere Arbeiten nahegelegt hatten, sondern über dem Maracaibo-See in Venezuela: etwa 233 Blitze pro Quadratkilometer und Jahr. Über dem warmen See entstehen an 297 Nächten jährlich Gewitter, mit einem Höhepunkt im September, wenn Berg-, See- und Meeresbrisen aufeinandertreffen. Die Blitze treten so regelmäßig auf, dass Seeleute sie einst als Leuchtturm nutzten.

Kabare in der Demokratischen Republik Kongo liegt mit 205 auf Platz zwei. Afrika hat 283 der 500 führenden Orte und laut NASA sechs der ersten zehn. In den Vereinigten Staaten liegt nach Angaben des NSSL die höchste Häufigkeit von Wolke-Erde-Blitzen in Florida zwischen Tampa und Orlando, wo an vielen Tagen des Jahres feuchte Luft und Meeresbrisen aufeinandertreffen.

Blitze in Korea

Das Netz der KMA aus 21 Sensoren erfasst Bodeneinschläge über Südkorea mit einer medianen Ortungsgenauigkeit innerhalb von 250 m. Ihr Blitzbericht für 2025 zählte in diesem Jahr 106.750 Bodeneinschläge auf Landflächen. Das Zehnjahresmittel von 2016 bis 2025 beträgt 105.385. Das Vorjahr war ungewöhnlich aktiv: 145.784 Einschläge im Jahr 2024 und 27.431 an einem einzigen Tag, dem 5. August, etwa 19 % der Jahressumme.

Die meisten koreanischen Blitze fallen in den Sommer. Die monatlichen Zehnjahresmittel sind im Juli (37.073) und August (31.767) am höchsten und im Januar (42) und Februar (253) am niedrigsten. Das Labor unter der Bühne verwendet diese Mittelwerte: Wählen Sie einen Monat, und es zeigt, wie viele Bodeneinschläge Koreas Landflächen dann durchschnittlich verzeichnen.

Rekorde aus dem All

Ein geostationärer Blitzsensor beobachtet ständig dieselbe Planetenhälfte. Dadurch ließen sich einzelne, Hunderte Kilometer lange Blitze messen, sogenannte Megablitze. 2025 bestätigte die World Meteorological Organization einen Entfernungsrekord: ein einzelner Blitz am 22. Oktober 2017, der 829 km vom östlichen Texas bis nahe Kansas City verlief (Peterson und andere, 2025). Er wurde bei einer erneuten Untersuchung der GOES-16-Daten gefunden und übertraf den vorherigen Rekord von 768 km am 29. April 2020. Der Dauerrekord ist ein einzelner Blitz über Uruguay und Argentinien am 18. Juni 2020, der 17,102 Sekunden anhielt (Peterson und andere, 2022).

Solche Rekorde verändern, wie die Sicherheit bei Gewitter beschrieben wird. Ein Blitz kann sich Hunderte Kilometer durch Wolken ausbreiten und weit von der scheinbaren Gewitterposition entfernt Entladungen zum Boden senden.

Blitze anderswo

Gewitter sind nicht die einzige Quelle. Das NSSL nennt Vulkanausbrüche, sehr intensive Waldbrände, die eigene Gewitterwolken bilden, heftige Schneestürme mit Gewitter, große Hurrikane und oberirdische Kernexplosionen. Der Ausbruch des Hunga-Vulkans in Tonga am 15. Januar 2022 sandte eine mindestens 58 km hohe Eruptionswolke aus und erzeugte mehr als 2600 Blitze pro Minute. Sie waren in Ringen angeordnet, die sich mit Schwerewellen in der Schirmwolke nach außen ausbreiteten (Van Eaton und andere, 2023).

Auch auf Jupiter gibt es Blitze. Die Raumsonde Juno zeichnete ihre Radioemission bei 600 MHz auf, vorwiegend nahe den Polen (Brown und andere, 2018), und sah später kleine Blitze aus flachen Gewittern hoch in der Atmosphäre (Becker und andere, 2020). Ein gestreifter Planet in der Ecke der Erdszene öffnet eine Karte darüber; seine Größe und Entfernung sind dort nicht maßstäblich.

Was die Wetterdienste empfehlen

Die beiden Wetterdienste stimmen in fast allem überein. Bei einem nahen Gewitter gibt es draußen keinen sicheren Ort. Massive Gebäude und Metallfahrzeuge mit festem Dach und geschlossenen Fenstern sind sicher; kleine Schuppen, Zelte, Regenunterstände und offene Fahrzeuge sind es nicht. Meiden Sie drinnen schnurgebundene Telefone, alles an Steckdosen Angeschlossene sowie Wasserleitungen, und halten Sie Abstand von Fenstern und Türen. Warten Sie nach dem letzten Donner 30 Minuten, bevor Sie wieder hinausgehen, denn der letzte Blitz eines Gewitters kann viele Minuten nach seinem Vorgänger kommen.

In einer Regel unterscheiden sie sich. Die KMA lehrt weiterhin die 30-30-Regel: Zählen Sie vom Blitz bis zum Donner; sind es höchstens 30 Sekunden, suchen Sie sofort einen sicheren Ort auf. Der NWS sagt inzwischen, dass bereits jedes hörbare Donnern Gefahr bedeutet; sein Leitspruch lautet: „Wenn der Donner grollt, gehen Sie hinein!“ Dreißig Sekunden entsprechen ungefähr 10 km, und Blitze können so weit vom Gewitter entfernt einschlagen.

Auch das Verhalten im Freien beschreiben sie unterschiedlich. Als Möglichkeit zur Risikominderung während des Entfernens beschreibt die KMA tiefes Hocken mit geschlossenen Füßen und 5 bis 10 m Abstand zu anderen Menschen; auf nassem Boden zu liegen, sei sehr gefährlich. Der NWS sagt, Hocken mache nicht sicherer, und flaches Hinlegen erhöhe die Gefahr durch Bodenstrom; er empfiehlt, sich weiter zu einem Schutzraum zu bewegen. Beide stimmen darin überein, dass nur rechtzeitiges Aufsuchen eines Innenraums eine gute Lösung ist.

Über die Lichtblitze dieser Ausstellung

Blitze sind helle Lichtblitze; rasch wiederholte helle Lichtblitze können bei Menschen mit fotosensitiver Epilepsie Anfälle auslösen. Eine Übersichtsarbeit für die Epilepsy Foundation of America fand 15 bis 25 Lichtblitze pro Sekunde am stärksten auslösend, bei einem Bereich von 1 bis 65 (Fisher und andere, 2005). Diese Ausstellung sichert jede große, helle Bühnenänderung durch eine einzige Sperre: Ein neuer Spitzenwert darf erst 0,34 Sekunden nach dem letzten beginnen. So gibt es niemals mehr als drei pro Sekunde, und früher eintreffende Hauptentladungen gehen in das bestehende Leuchten über, statt einen neuen Lichtblitz zu erzeugen. Der Schalter „Sanfte Blitze“ hält die Spitzen eine Sekunde auseinander und schwächt sie ab. Er schaltet sich selbst ein, wenn Ihr Gerät reduzierte Bewegung anfordert.

Das bedeutet auch, dass die Bühne das echte Flackern eines Blitzes mit mehreren Hauptentladungen bei voller Geschwindigkeit nicht zeigt, bei dem diese einige Zehn Millisekunden auseinanderliegen. Stattdessen zeigt die Zeitlupenszene diese Hauptentladungen einzeln.

Wie das Modell von der Wirklichkeit abweicht

Die Stadt, das Gewitter und jede Entfernung der ersten Szene haben ihre wirkliche Größe, und die Schallverzögerungen werden genau aus Entfernung und Temperatur berechnet. Einige Dinge sind vereinfacht:

• Der Kanal wächst aus zufälligen, zum Boden gezogenen Stufen. Seine Form ist plausibel, aber keine Kopie eines vermessenen Blitzes.
• Die Wolke besteht aus weichen Ballungen und wird vom Blitz von innen beleuchtet; sie simuliert keine Luftströmung.
• In der Wolkenszene sind die Teilchen Tausende Male zu groß und die Zeit läuft schnell. Die Aufladung folgt einer Regel, Vorzeichen nach Temperatur und Menge nach Zusammenstößen, keinem mikrophysikalischen Modell.
• Die Hörbarkeit des Donners gegenüber Hintergrundgeräusch folgt einem einfachen Pegelmodell; echter Donner hängt vom Kanal, dem Boden, dem Wind und den Temperaturschichten ab.
• Die Erdkarte ist ein Modell, wie oben beschrieben. Die 44 pro Sekunde, das Land-Ozean-Verhältnis und die Brennpunktwerte sind gemessen; die Form des Leuchtens ist geschätzt.
• Kugelblitze erscheinen gelegentlich nach nahen Einschlägen. Es gibt echte Belege für ihre Existenz, darunter ein aufgezeichnetes Spektrum (Cen, Yuan und Xue, 2014), aber ihre Funktionsweise ist weiterhin umstritten.

Die Führung und das Labor

Die Führung durchläuft 19 Schritte, vom Zählen beim ersten Einschlag bis zu den Sicherheitsregeln. Jeder Schritt stellt die Bühne für Sie ein: Szene, Kamera, Entfernung und Blitzart. Der Reiter „Steuerung“ enthält dieselben Einstellungen zur freien Verwendung; der Reiter „Bauteile“ listet 31 Teile in den sieben Szenen und fliegt jedes an.

Unter der Bühne hält das Labor Ihre Tätigkeiten fest. Aufgaben werden in Ihrem Browser gespeichert und nach der Lösung mit einem Stern markiert. Das Blitzbuch hakt jede Art, jeden Ort und jeden Rekord ab, sobald Sie sie auf der Bühne sehen. Versteckte Funde sind Dinge auf der Bühne, die beim Anklicken eine Karte öffnen; manche erscheinen nur gelegentlich, etwa die lautlosen Blitze hinter den Hügeln, ein Sprite über dem Gewitter oder eine Lichtkugel nach einem nahen Einschlag. Die Tabelle „Letzte Einschläge“ listet die letzten zehn Blitze mit Entfernung, Hauptentladungen und Stromstärke.