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Gewitter

Gewitter

Ein Gewitter ist eine mit elektrischen Entladungen (Blitz) und Donner verbundene Wettererscheinung. Es wird meist von kräftigen Regen- oder Schneeschauern begleitet. Manchmal treten sie in Verbindung mit Hagelschauern, böigen Winden und in seltenen Fällen auch mit Tornados auf. Starke Gewitter werden auch als Unwetter bezeichnet. Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke (auch Cumulonimbus genannt) auf. Die turbulente Luftströmung trennt kondensierende Wassertröpfchen in unterschiedliche elektrische Potentiale auf. Diese Potentiale zeichnen sich durch Spannungsgefälle aus, welche sich durch Blitze plötzlich ausgleichen. Blitze werden akustisch durch Donner begleitet, da sie die Luft schlagartig auf 30.000°C erhitzen, eine 5 mal höhere Temperatur als man auf der Sonnenoberfläche antrifft.

Entstehung von Gewittern

Donner

Entstehungsbedingungen

Gewitter können entstehen, wenn hochreichend ein hinreichend großer vertikaler Temperaturgradient vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe so stark abnimmt, dass eine bedingt labile Atmosphärenschichtung vorliegt. Weiter braucht es für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe, welche über die latente Wärme den Energielieferanten für die Feuchtekonvektion darstellt. Da die Atmosphäre nie hochreichend trockenadiabatisch labil geschichtet ist, bedarf es der Freisetzung latenter Wärme, welche einen feuchtadiabatischen Aufstieg der Luftpakete ermöglicht. Sind diese beiden Grundbedingungen erfüllt, muss nicht zwangsläufig ein Gewitter entstehen. Erst die Hebung der feucht-warmen Luftschicht am Boden löst ein Gewitter aus. Dafür sind weitere Faktoren wie Wind- und Luftdruckverhältnisse, die Topographie, sowie die Luftschichtung relevant. Da einige dieser Faktoren durch Vorhersagemodelle schwierig vorauszuberechnen sind und von Ort zu Ort stark variieren, ist die Vorhersage von Gewittern außerordentlich schwierig.

Entstehungsprozess einer Gewitterzelle

Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch ab, bis seine Temperatur die Taupunkttemperatur erreicht. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem so genannten Cumulonimbus (kurz: Cb) anwachsen kann. Bei diesem Vorgang wird latente Wärme freigesetzt. Dadurch erhält das Luftpaket zusätzlichen Auftrieb, da der Temperaturunterschied zur Umgebungsluft zunimmt. Liegt eine bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket ungehindert bis in eine Höhe auf, wo der Temperaturgradient wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperaturunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft. Ist die Temperatur des Luftpakets schließlich gleich der Temperatur der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (Equilibrium Level) genannt. Meist befindet es sich in der Nähe der Tropopause. Diese liegt in Mitteleuropa zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km Höhe im Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause auf ca. 16 km Höhe. Deswegen werden die Gewitter in den Tropen wesentlich höher als in unseren Breiten. Auf Grund ihrer Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar um so höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Auf diese Weise können solche overshooting tops Höhen über 20 km erreichen. In der Gewitterwolke herrschen starke Aufwinde, die u. U. verhindern, dass kleinere Regentropfen aus der Wolke nach unten fallen. Die Regentropfen und Eiskörnchen werden dann immer wieder nach oben getragen, wo sie gefrieren und sich neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft bis die Eiskörner so schwer geworden sind, dass sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke, kalte Regentropfen, Graupel oder sogar Hagelkörner aus der Gewitterwolke auf die Erde. Je stärker die Aufwinde in der Gewitterwolke sind, desto größer können die Hagelkörner werden. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meist um aufgeschmolzene Hagelkörner. siehe auch: Gewitterzelle

Klassifikation von Gewittern

Die Bildung von hochreichender konvektiver Bewölkung und Gewittern setzt neben einer bedingt labilen Schichtung zur Auslösung der Feuchtekonvektion einen Hebungsantrieb voraus. Hinsichtlich der Auslösemechanismen können verschiedene Gewittertypen unterschieden werden.

Luftmassengewitter

Luftmassengewitter treten in einer einheitlichen Luftmasse auf, d. h. die Temperatur verändert sich in horizontaler Richtung kaum. Die Temperatur muss aber mit der Höhe hinreichend stark abnehmen und es muß ein bodennaher Heizmechanismus vorliegen (thermische Auslösung) vorliegen. Man kann 2 Haupttypen von Luftmassengewitter unterscheiden, Wärmegewitter und Wintergewitter. Wärmegewitter (auch Sommergewitter genannt) entstehen bei uns praktisch ausschließlich im Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft v. a. in Bodennähe und lässt zudem viel Wasser durch Evapotranspiration verdunsten. Dadurch erhöht sich der Temperaturgradient im Tagesverlauf. Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen Warmluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Dabei kühlen sie sich ab und erreichen schließlich das Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil gschichtet, so werden auf diese Weise thermisch Gewitter ausgelöst. Wintergewitter entstehen im Winterhalbjahr. Ihre Entstehung ist prinzipiell dieselbe, wie die der Wärmegewitter. Allerdings fehlt im Winter oft eine ausreichend starke Sonneneinstrahlung. Deswegen kann ein hoher Temperaturgradient nur durch starke Abkühlung in der Höhe zustande kommen. Das geschieht durch Zufuhr von Höhenkaltluft, welche meist polaren Ursprungs ist. Über See wird die Feuchtekonvektion spontan und tageszeitunabhängig thermisch durch den starken Temperaturgradienten zwischen der relativ warmen Meeresoberfläche und der darüber geführten relativ kalten Luft ausgelöst. Auf Satellitenbildern sind diese Luftmassen an der zellulären konvektiven Bewölkung deutlich zu erkennen. Über Land hingegen tritt dieser Mechanismus zurück und es ist unter Einfluß der - wenn auch schwachen - Einstrahlung ein Tagesgang der Konvektion zu beobachten. Allerdings ist die in den unteren Schichten über dem Meer erwärmte Luft oft recht weit ins Binnenland hinein noch genügend labil, um Konvektion auszulösen. Am heftigesten sind die Wettererscheinungen dabei in den Küstenregionen (lake effect). Wintergewitter sind oft mit kräftigen Graupelschauer- und Schneeschauern verbunden. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf enthält und somit weniger energiereich ist, sind diese Gewitter meist weniger intensiv als Wärmegewitter im Sommer.

Frontgewitter

Frontgewitter entstehen durch dynamische Hebung, welche durch die Fronten verursacht wird. Es müssen allerdings bereits vor dem Frontdurchzug die Grundbedingungen für Gewitter erfüllt sein. Die Front ist lediglich der Auslöser (auch Trigger genannt). Frontengewitter treten vor allem an der Vorderseite von Kaltfronten auf. Nur in seltenen Fällen können sie auch an Warmfronten auftreten. In diesem Fall wird die Atmosphäre durch den Einschub feucht-warmer Luftmassen in den unteren Bereichen der Troposphäre labilisiert und es kommt zu sogenannten Warmlufteinschubgewittern. Wenn eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft wie ein Keil unter die feuchtwarme Luft, so dass diese in die Höhe gehoben wird. Auf einer bestimmten Höhe kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich Quellwolken, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu Gewitterwolken anwachsen können. Solche Frontgewitter können das ganze Jahr über auftreten, sind allerdings im Sommer häufiger als im Winter und fallen in der Regel auch heftiger aus. Konvergenz Eine Besonderheit, die vor allem in der warmen Jahreszeit auftritt, sind linienhaft angeordnete Gewitter entlang von Konvergenzen, die vielfach einer Kaltfront vorgelagert sind und in diesem Fall als präfrontale Konvergenzen bezeichnet werden. Im Bereich der Konvergenz kommt es noch nicht zu einem Luftmassenwechsel, wohl aber zu einem Windsprung, welcher durch das konvergente Windfeld bedingt ist. Auslöser bzw. Hebungsmechanismus ist hier die zusammenströmende Luft, welche entlang der Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen wird. Im Winter sind solche Konvergenzen meist wenig wetteraktiv, während im Sommer die Haupt-Gewittertätigkeit oft an der Konvergenz und nicht an der nachfolgenden Kaltfront zu finden ist. Innerhalb von Kaltluftmassen hinter einer Kaltfront kommt es entlang von Troglinien zur Hebungsvorgängen, welche Feuchtekonvektion und auch Gewitter auslösen können. Dieser Mechanismus ist zu allen Jahreszeiten zu beobachten, schwerpunkmäßig dabei im Winter, da dann die Dynamik von Tiefdruckgebieten am ausgeprägtesten ist.

Orographische Gewitter

Orographische Gewitter entstehen durch Hebung an Gebirgen. Überströmt eine Luftmasse ein Gebirge, wird sie zwangsläufig gehoben. Dabei kühlt sie sich ab und kondensiert u. U. aus. Es kann sich bei geeigneten Bedingungen eine Gewitterwolke bilden. Orographische Gewitter können in Staulagen enorme Regenmengen verursachen, da sie sich u. U. immer wieder an derselben Stelle bilden. Staulage]]

Gefahren

In manchen Fällen bergen starke Gewitter Gefahren, wie z. B. Sturmschäden durch Fallböen (Downbursts) oder Tornados, Überschwemmungen durch starken Regen und Schäden durch Hagel. Selten kommt es zu Schäden durch Blitze, etwa zu Kurzschlüssen, Bränden oder gar Verletzungen. Seit der Erfindung des Blitzableiters sind die meisten Gebäude vor Blitzen geschützt.

Verhalten bei Gewitter

Bei einem Gewitter sollte man Gewässer und Schwimmbecken verlassen, weil Wasser elektrisch leitet und ein Blitzschlag in der Nähe gefährliche Kriechströme verursachen kann. Man sollte sich nicht in der Nähe von Bäumen, Masten o. ä. aufhalten, da der Blitz häufig die kürzeste Verbindung zwischen Wolke und Boden herstellt und deswegen in hohe, spitze Objekte einschlägt. Aus demselben Grund sollte man auch Hügel und Höhenzüge meiden! Am sichersten ist man in einem Fahrzeug oder einem Gebäude in Massivbauweise (Faradayscher Käfig). Allerdings kann in seltenen Fällen der Strom trotzdem ins Innere gelangen, z. B. durch Kabel oder Wasserleitungen. Falls man sich im Freien aufhält und keinen Schutz mehr vor dem Gewitter findet, sollte man sich in einer Mulde zusammenkauern, um die Schrittspannung gering zu halten.

Siehe auch


- Blitz
- Gewitterzelle
- Donner
- Isokeraunischer Pegel

Weblinks


- [http://www.wolkenatlas.de/ Wolkenatlas]
- [http://www.blitzschutz.net/html/brosch_re.html Leben mit Blitzen]
- [http://www.sturmwetter.de Gewitterbeobachtungen rund um München] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Niederschlag

Blitz

Als Blitz wird allgemein eine sehr helle, kurzfristige Lichterscheinungen (Lichtblitz) infolge einer elektrischen Entladung (Potenzialausgleich) bezeichnet, die unter anderem durch Geräte wie Influenzmaschienen oder andere elektrostatische Entladungen hervorgerufen werden kann. Meist spricht man jedoch von Blitzen in Bezug auf elektrostatische Entladung in Wolken beziehungsweise zwischen den Wolken und der Erde, ausgelöst durch das Phänomen Gewitter.

Etymologie und Mythologie

Die Germanen deuteten den Blitz als sichtbares Zeichen dafür, dass Thor seinen Hammer zur Erde geschleudert hatte. Bei den Slawen war es der Gewittergott Perun. Auch Zeus/Jupiter war für Blitz und Donner zuständig (In Renaissance-Darstellungen hält Zeus als Attribut ein Bündel Blitze in der Hand - antike Darstellungen dieser Art sind nicht bekannt). Den Gewittergöttern Zeus/Jupiter und Donar war außerdem die Eiche geweiht, vielleicht findet sich hier auch der Ursprung für den oft zitierten Spruch: Vor den Eichen sollst du weichen ...

Entstehung

Eiche

Ladungen in einer Gewitterwolke

Durch die Auf- und Abwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit positiven und negativen Ladungen. Es handelt sich dabei um Raumladungen, d. h. dass ein Gebiet mit positiver Ladung sowohl positive wie negative Ionen enthält, aber die positiven überwiegen. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Der Übergang zwischen positiven und negativen Ladungen findet normalerweise in einer Höhe statt, wo die Temperatur zwischen -10°C und -15°C beträgt. Dort findet auch der Übergang zwischen Wassertropfen und Eiskristallen statt, was nahe legt, dass eine Wolke im oberen Bereich vereisen muss, damit Blitze entstehen können. Daneben werden oft positive Ladungen in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen. Wenn der Spannungsunterschied zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß wird, kann es zu einem Blitz kommen.

Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke

Ein Blitz ist ein Spannungsausgleich innerhalb der Wolke (Wolkenblitz) oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke (Erdblitz). Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied einige 10 Millionen Volt betragen. In feuchter Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer Feldstärke von ca. 1 Million Volt pro Meter. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen. Die Luft muss zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.

Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation

Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Dadurch wird ein Blitzkanal geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stoßionisation gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar Richtung Erdboden gerichtet, variieren aber alle paar Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Linienblitzes zu Stande. Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen geht vom Boden eine Fangentladung aus, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meist bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Masten oder Kirchtürmen) aus, welche sich von der Umgebung abheben. Die Fangentladung trifft häufig aber nicht immer mit den Vorentladungen zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal zwischen Wolke und Erdboden. Der Blitzkanal weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann die Hauptentladung, welche sehr hell ist und von uns als Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten des Blitzes wird durch Plasma verursacht.

Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen

Im Durchschnitt bilden 4-5 Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0.01 s, die Hauptentladung dauert nur 0.0004 s. Nach einer Erholungspause zwischen 0.03 s und 0.05 s erfolgt eine neue Entladung. Es wurden schon bis zu 42 aufeinander folgende Entladungen beobachtet. Dadurch kommt das Flackern eines Blitzes zu Stande, welches man mit bloßem Auge erkennen kann. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20.000 Ampere. Bei den Vorladungen wird der Erdoberfläche meist negative Ladung zugeführt und bei den Hauptentladungen wird der Atmosphäre meist positive Ladung zugeführt. Dies entspricht einem elektrischen Strom von der Erdoberfläche zur Atmosphäre. In seltenen Fällen wird positive Ladung der Erdoberfläche zugeführt. Man spricht dann von einem positiven Erdblitz. Meist handelt es sich hierbei um eine besonders intensive Entladung, deren Hauptentladung auch deutlich länger anhält als beim Negativblitz.

Länge eines Blitzes

Die durchschnittliche Länge eines Erdblitzes beträgt in mittleren Breiten 1-2 km, in den Tropen 2-3 km. Ein Wolkenblitz ist ca. 5 bis 7 Kilometer lang, es wurden aber mittels Blitzradar auch schon Längen (in Wolken) von 140 km bestimmt.

Entstehung des Donners

Hauptartikel: Donner Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30'000°C erhitzt. Dies führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, wodurch der Knall des Donners hervorgerufen wird. Da der Schall im Gegensatz zum Licht (ca. 300'000 km/s) nur eine Geschwindigkeit von 332 m/s (bei 0 °C) aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zu Stande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem gedehnteren und weniger scharf polternden Schall begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.

Erscheinungsformen

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. Echo

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

Hauptartikel: Kugelblitz Die Existenz des (meist als etwa fußballgroße Erscheinung beschriebenen) Kugelblitzes ist eine heute noch umstrittene Frage, obwohl es durchaus Fotos gibt. Die nur selten berichteten Phänomene können angeblich durch Mauern dringen und sich langsam in Bodennähe bewegen. Künstliche Kugelblitze sollen in einigen Laboren schon erzeugt worden sein.

Wetterleuchten

Kugelblitz 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

Hauptartikel: Elmsfeuer Ein Elms-Feuer ist eine Funkenentladung. Sie tritt meist an hohen Gegenständen wie Fernsehantennen, Schiffsmasten, Flugzeugen (beim Fliegen in Gewitternähe oder einer mit Aschepartikeln durchtränkten Luftschicht) 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.

Positiver Blitz

Ein positiver Blitz ist ein Blitz, bei dem die Blitzentladung aus dem oberen, positiv geladenen Teil der Wolke zum Boden erfolgt. Diese Blitze sind um einiges stärker als "normale" negative Blitze und können kilometerweit vom eigentlichen Gewitter entfernt einschlagen. Zusätzlich "brennen" sie auch länger als ein negativer Blitz, wodurch sie einen weit größeren Schaden anrichten können. Es wird vermutet, dass positive Blitzschläge Auslöser der Red Sprites sind.

Blue Jets, Red Sprites und Elfen

Gewitter Bei den „Elfen“ (engl.: Elves) handelt es sich um Blitzentladungen, die die Gase in der Ionosphäre erleuchten. Sie treten über großen Gewitterwolken als rötlicher Ring in etwa 90 km Höhe auf und werden vermutlich durch Wolkenblitze induziert. Die „Kobolde“ (engl.: Sprites) tauchen in der Mesosphäre in einer Höhe von etwa 70 km ebenfalls über gewaltigen Gewittern auf. Sie breiten sich im Millisekundenbereich nach oben und unten aus, erscheinen meist rötlich und haben unterschiedliche Formen, von Pilzgebilden bis hin zu Lattenzäunen. Sie entstehen oberhalb der Wolken, unter denen sich ein positiver Blitz seinen Weg zur Erde bahnt. Das bedeutet, dass positive Blitze und Sprites zusammen auftreten – der Blitz unterhalb der Wolke und der Sprite oberhalb der Wolke. 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 so genannten 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 und registriert nun die „Blauen Blitze“ mit einer Anordnung von vier großen Spiegeln . Das Projekt wird von 70 Wissenschaftlern aus Europa und Afrika betreut (aus Deutschland das MPI Heidelberg und vier 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.

Häufigkeit von Blitzen

Astronomen Weltweit gibt es jederzeit 2.000 bis 3.000 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° Celsius 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 bei weniger als einem Blitz pro km² jährlich, in Österreich und Norditalien bei 1 - 2, in Slowenien bei 3. Fast überall gibt es kleinere Bereiche, in denen die Blitzhäufigkeit zwei- bis dreimal höher als in der Umgebung ist 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. Zudem gibt es in Großstädten mehr Blitze, was vermutlich mit der Luftverschmutzung und der Lufttemperatur zusammen hängt. Am häufigsten blitzt es in Deutschland im Schwarzwald, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen. Besonders häufig kommen Blitze in Durban in Südafrika vor.

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 zum Beispiel Siemens oder des österreichischen bis Mitteldeutschland reichenden ALDIS, welche Blitzeinschläge auf wenige Meter genau orten.

Blitzforschung

Geschichte


- 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! Grundsätzlich sind bei Gewitter jedoch jegliche Bäume zu meiden!

Aktuell

In Brasilien untersucht das DLR-Forschungsflugzeug Falcon die Entstehung von Stickoxiden durch Blitze in tropischen Gewittern. Auch in Österreich läuft auf dem Salzburger Gaisberg ein Blitzforschungsprojekt von ALDIS.

Blitzschäden

ALDIS 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. In Autos soll man auch sicher sein, da diese wie ein Faradayscher Käfig funktionieren und den Blitz außen ableiten sollen. Je nach Beschaffenheit der Außenhaut des Fahrzeugs (Kunststoff) kann dies jedoch nicht immer zutreffen; es gibt in der Literatur Hinweise, dass es zu Personenschäden in Fahrzeugen gekommen sein soll. 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. 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. Derartige Spannungsunterschiede bauen sich durch Reibungsvorgänge zwischen Eiskristallen in Gewitterwolken auf. Die Temperatur am Einschlagpunkt, wo bei Metallen ein kleines Loch geschmolzen wird, kann bis über 30.000° Celsius betragen. 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

Wenn man vom Gewitter überrascht wird, möchte man meistens zweierlei erreichen: nicht nass zu werden, und was noch viel wichtiger ist, vom Blitz verschont zu bleiben. Für das Erste nimmt man am besten regendichte Kleidung. Um nicht vom Blitz getroffen zu werden, gilt es, zwei Dinge zu beachten:
- Nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden :Dazu gehört: :
- Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen zu suchen. :
- Auf offenem Gelände sich möglichst klein machen, um kein direktes Ziel darzustellen.
- Nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein :Dazu gehört: :
- Die unmittelbare Nähe von Holzmasten meiden. :
- Abstand von Bäumen halten - wegen Sekundärblitzgefahr und möglicherweise umhergeschleuderten Holz- und Rindenteilen. :
- Hinkauern, nicht hinlegen, Kontaktbereich zum Boden minimieren, beim Hocken Arme am Körper lassen, Kopf einziehen, Füße zusammenstellen (kleinere Schrittspannung). Dies wird durch Gummisohlen (oder anderes isolierendes Material) unterstützt. :
- Enge Mulden und Höhleneingänge meiden, besser auf ebenes Terrain stellen, oder tiefer in die Höhle gehen, der Blitz verteilt sich größtenteils an der Oberfläche und kann in Höhlen der Wandkrümmung oft nicht folgen und überspringt den Eingang als Sekundärblitz, analog mit Bodenmulden. Oft falsch verstanden und lebensgefährlich ist 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. Das Risiko durch Bäume ist außerdem dadurch gegeben, dass der Blitz zwar oben in den Baum einschlägt, aber weiter unten wieder herauskommt und dann in den dort schutzsuchenden Menschen einschlägt. Ein weiterer 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. Bei einem Gewitter die nächstgelegene Buche zu suchen, ist allerdings ein gefährlicher Fehler - auch in Buchen schlagen Blitze ein. Richtig ist, alle Bäume, hohe Holzmasten und Gewässer bei einem Gewitter zu meiden. Kammlagen und hohe Bäume sollten – auch im Wald – gemieden werden und nur dann, wenn man sich tief im Wald befindet, gilt das oben erwähnte Sprichwort. Sich in eine Mulde oder in eine Höhle zu ducken, kann zwar das Riskio minimieren, direkt vom Blitz getroffen zu werden, aber es ist unbedingt zu beachten, dass insbesondere in engeren Mulden und in Höhleneingängen das Risiko, von einem Blitzeinschlag betroffen zu werden, trotzdem 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, der dann in dort befindliche Menschen einschlagen kann. Es wird empfohlen, auf Zehenspitzen (ohne Abstützen durch Hände auf dem Boden oder an Dingen in der Nähe) in die Hocke zu gehen und den Kopf einzuziehen. Dabei sollte man sich von allem fernhalten, was Kontakt mit dem Boden hat und den Strom leiten kann, z. B. Regenpfützen oder Pfähle. Hinlegen oder breitbeiniges Hinstellen erhöhen das Risiko, bei einem indirekten Blitzeinschlag von dem sich im Boden ausbreitenden Blitz eine hohe Schrittspannung "abzugreifen". Gegen einen direkten Blitzschlag können aber auch mehrere Zentimeter dicke Gummisohlen nicht schützen.

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 (zum Beispiel anhand der Lage und Ausdehnung des Gebäudes) oder zu schweren Folgen (zum Beispiel 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 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. Weichen die Berechnungsergebnisse der Risikoermittlung von den gesetzlichen Forderungen ab, so sind grundsätzlich die höheren Anforderungen umzusetzen. Die Risikoermittlung wird immer nur der erste Schritt bei der Planung einer Blitzschutzanlage sein, in einem weiteren Schritt sind die baurechtliche Besonderheiten zu berücksichtigen und anschließend sind die in der Risikoermittlung getroffenen Annahmen (ausgewählte Reduktionsfaktoren, Schadenfaktoren etc.)umzusetzen. Auch für die anschließende Planung des Blitzschutzes einer baulichen Anlage werden in der DIN V VDE V 0185 Teil 1-4 weiterführende Aussagen getroffen.

Weblinks


- [http://www.electricworld.de/blitz.htm Physik der Gewitter und Blitze]
- [http://www.nzz.ch/2005/07/27/ft/articleCZH2F.html Kosmische Teilchen als Auslöser von Blitzen?]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/umwelt_technik/02_blitze/interesse.htm Blitzfragen und Blitzschutz]
- [http://www.blids.de/ BLIDS - Blitz-Informations-Dienst von Siemens; ortet Gewitterblitze in Deutschland und anderen Ländern]
- [http://www.aldis.at/forschung/projekte.html Blitzforschungsprojekt Gaisberg]
- [http://science.nasa.gov/newhome/headlines/essd18jun99_1.htm Artikel der NASA, zu den Auswirkungen von Blitzschlägen auf den Menschen (engl.)] Kategorie:Physik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Meteorologie Kategorie:Wortexport ko:번개

Donner

Donner ist das krachende, mahlende oder rollende Geräusch, das von einem Blitz während eines Unwetters erzeugt wird. Der Knall nach einem Blitz, der weiterführend als Donner bezeichnet wird, entsteht durch die plötzliche Ausdehnung der Luft. Dies passiert aufgrund der starken Hitzeentwicklung, die ein Blitz verursacht. Die Luft dehnt sich mit einer Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit aus und sie durchbricht die Schallmauer. Daher kann man einen Donner mit einem lauten Knall hören. Wenn man die Sekunden, die nach der Wahrnehmung eines Blitzes bis zum Donner verstreichen, durch 3 teilt, dann erhält man die ungefähre Entfernung des Gewitters in Kilometern, da das Licht des Blitzes aufgrund der Lichtgeschwindigkeit von etwa 300.000 km/s fast zeitgleich eintrifft, der Schall sich in Luft in Bodennähe aber nur mit rund 330 m/s fortpflanzt.

Weblinks

Donner und Blitz: http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/donnerbl.html
- [http://wetterchronik.de/donner.htm Donner zum Anhören] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Geräusch ja:雷 simple:Thunder

Hagel

Hagel ist eine Form von Niederschlag, die aus Eisklumpen besteht.

Entstehung

Niederschlag Hagelkörner, auch Schloßen genannt, entstehen in den niedrigeren Schichten von Gewitterwolken als kleine Wassertröpfchen, die durch starke Aufwinde in die höheren, kalten Bereiche der Wolke gewirbelt werden und dort gefrieren. Danach fallen sie wieder in tiefere Luftschichten, nehmen weiteres Wasser auf, werden abermals nach oben gerissen, und zusätzliches Wasser gefriert an. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis ein Hagelkorn zu schwer ist, um von den Aufwinden getragen zu werden. Aus der Größe der Hagelkörner kann daher auf die Windstärke im Inneren der Gewitterwolke geschlossen werden. Die stufenweise Entstehung der Hagelkörner kann an den einzelnen Eisschichten, aus denen ein Hagelkorn besteht, abgelesen werden.

Definition

Hagelkörner haben meistens einen Durchmesser von 0,6 bis 2 Zentimetern, können aber in Einzelfällen auch einen Durchmesser von mehr als 10 cm und ein Gewicht von über einem Kilogramm erreichen. Solch große Hagelkörner erreichen beim Fall Geschwindigkeiten von über 150 km/h. Bei einem Durchmesser bis 0,5 Zentimeter spricht man von Graupel.

Etymologie

Das Wort Hagel leitet sich vom althochdeutschen hagal ab, das dasselbe bedeutet (s. Kluge, Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache). Die Bezeichnung Schloße für ein Hagelkorn ist namensgebend für schlohweiß (dissimiliert aus schloßweiß), bedeutet also:"weiß wie ein Hagelkorn" und bezeichnet einen hellen, fahlen Weißton.

Hagelabwehr

Im gesamten 19. Jahrhundert blieb das »Wetterläuten« die einzige, doch wenig wirksame Waffe im Kampf gegen drohende Gewitterstürme. Um die Wende zum 20. Jahrhundert wurde es teilweise durch Böllerschießen abgelöst. Erfolgsversprechend war erst die Entdeckung, dass Silberiodid (AgI) bereits bei −5,2° Celsius eiskeimbildend ist und zudem als umweltverträglich gilt, wohingegen Wasser selbst ohne fremden Kristallisationskeim (also zum Beispiel ohne Bakterien oder Staubpartikel) erst bei ca. −40 °C gefriert. Ab Mitte der 1950er-Jahre begann man Silberiodid mit Raketen in Gewitterwolken zu schießen. Heute erledigen die Hagelabwehrpiloten mit ihren Flugzeugen diese Aufgabe. Die an den Flugzeugen montierten Generatoren dienen zum Versprühen der Silberiodid-Aceton-Lösung an der Wolkenbasis, der Aufwind reißt die AgI-Kristalle in die Gewitterwolke. Die Anzahl der natürlich vorkommenden Kondensationskerne wird dadurch künstlich erhöht, wodurch sich das überschüssige Feuchte-Angebot feiner verteilt und die Ausbildung extrem großer Hagelkörner unterbunden wird. Außerdem wächst die Wahrscheinlichkeit, dass die kleineren Hagelkörner während des Ausregnens der Gewitterwolke schmelzen und nur mehr als schwere Tropfen auf dem Boden auftreffen. Die Effektivität der Hagelbekämpfung mit Silberiodid ist jedoch wissenschaftlich nicht belegt. Da die Vorgänge in einer Gewitterzelle sehr komplex sind, ist der Nachweis, ob zum Beispiel auch ohne das Impfen kein Hagel gefallen wäre, nur sehr schwer zu erbringen. Neuerdings werden in der Landwirtschaft Hagelschutznetze verwendet, diese werden in Giebeldachform über die kompletten Pflanzen gespannt und lassen die Hagelkörner im Traufebereich herabfallen. Die Netze bestehen aus Polyethylen (PE) und haben verschiedenste Farben, PVC hat sich nicht bewährt, da unter UV-Einfluss Chloride abgespalten werden. Die Haltbarkeit der Netze liegt bei 5-8 Jahren, abhängig von Beimischungen (Pigmente, Rußbeimengungen, UV-Stabilisatoren). Vorteile der Hagelschutznetze:
- kompletter Schutz von Frucht und Holz
- regelmäßige Ernten
- Schutz vor Sonnenbrandschäden an Früchten Nachteile der Hagelschutznetze:
- weniger Licht
- schlechtere Farbausbildung bei Früchten
- Verzögerung der Reife
- Temperatur und Luftfeuchtigkeit unter den Netzen ist etwas niederiger
- längere Blattnässe nach Niederschlägen

Weblinks


- [http://www.wetterbilder.com Wetterbilder]
- [http://www.skywarn-niedersachsen.de/dokumentationen/1903/ 29. Juni 1903 - Die vergessene Hagelkatastrophe von Osnabrück]
- [http://wetterchronik.de/unwerfhagel84.htm München 1984: Das teuerste deutsche Hagelunwetter]
- [http://www.hagelabwehr.com/ Weitere Informationen zur Hagelabwehr] Kategorie:Niederschlag ja:霰 th:ลูกเห็บ

Unwetter

Als Unwetter werden extreme Wetterphänomene mit Gefahren für Menschen und Sachwerte bezeichnet. Insbesondere sind folgende Wetterausprägungen oft Unwetter:
- Gewitter
- Sturm
- Orkan
- Blizzard (Schneesturm)
- Wirbelsturm (Staubteufel, Tornado, Tropischer Wirbelsturm)
- Sandsturm
- Starkregen
- Glatteisregen
- Hagelschlag

siehe auch


- Unwetterwarnsystem WIND

Weblinks


- [http://www.unwetterzentrale.de Unwetterzentrale meteomedia] Landkreisgenaue Unwettervorhersagen
- [http://www.naturgewalten.de Naturgewalten.de - Informationen über Unwetter in Deutschland und weltweit]
- [http://www.wetterchronik.de Berichte über historische Unwetter in Deutschland] Kategorie:Meteorologie

Gewitterwolke

Wolke#Cumulonimbus

Turbulenz

Turbulenz (lat.: turbare = drehen, beunruhigen, verwirren) ist die räumlich und zeitlich ungeordnete Strömung eines Gases oder einer Flüssigkeit. Turbulente Strömungen enthalten im Gegensatz zu laminaren Strömungen zahlreiche Verwirbelungen, die ein breites Spektrum von Längen- und Zeitskalen umfassen. In der Luftfahrt bezeichnen Turbulenzen Luftverwirbelungen, die durch Wetter, Hindernisse in der Luftströmung oder andere Luftfahrzeuge hervorgerufen werden. Turbulenzen können Luftfahrzeuge erfassen und zu Steuerungsproblemen, schwer kontrollierbaren Flugzuständen bis hin zu Abstürzen führen. Besonders kritisch können sich Turbulenzen bei einer Luftbetankung auswirken. In der Umgangssprache wird turbulent oft verwendet, um unübersichtliche, sich schnell verändernde Situationen zu beschreiben. Ein Beispiel ist die Beschreibung von Märkten, insbesondere von Kapital- und Aktienmärkten. Hier meint dieser Begriff die unvorhersehbaren, besonders "stürmischen" Kursverläufe. Kategorie:Strömungslehre

Blitz

Als Blitz wird allgemein eine sehr helle, kurzfristige Lichterscheinungen (Lichtblitz) infolge einer elektrischen Entladung (Potenzialausgleich) bezeichnet, die unter anderem durch Geräte wie Influenzmaschienen oder andere elektrostatische Entladungen hervorgerufen werden kann. Meist spricht man jedoch von Blitzen in Bezug auf elektrostatische Entladung in Wolken beziehungsweise zwischen den Wolken und der Erde, ausgelöst durch das Phänomen Gewitter.

Etymologie und Mythologie

Die Germanen deuteten den Blitz als sichtbares Zeichen dafür, dass Thor seinen Hammer zur Erde geschleudert hatte. Bei den Slawen war es der Gewittergott Perun. Auch Zeus/Jupiter war für Blitz und Donner zuständig (In Renaissance-Darstellungen hält Zeus als Attribut ein Bündel Blitze in der Hand - antike Darstellungen dieser Art sind nicht bekannt). Den Gewittergöttern Zeus/Jupiter und Donar war außerdem die Eiche geweiht, vielleicht findet sich hier auch der Ursprung für den oft zitierten Spruch: Vor den Eichen sollst du weichen ...

Entstehung

Eiche

Ladungen in einer Gewitterwolke

Durch die Auf- und Abwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit positiven und negativen Ladungen. Es handelt sich dabei um Raumladungen, d. h. dass ein Gebiet mit positiver Ladung sowohl positive wie negative Ionen enthält, aber die positiven überwiegen. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Der Übergang zwischen positiven und negativen Ladungen findet normalerweise in einer Höhe statt, wo die Temperatur zwischen -10°C und -15°C beträgt. Dort findet auch der Übergang zwischen Wassertropfen und Eiskristallen statt, was nahe legt, dass eine Wolke im oberen Bereich vereisen muss, damit Blitze entstehen können. Daneben werden oft positive Ladungen in den unteren Teilen der Wolke beobachtet, wo die stärksten Aufwinde herrschen. Wenn der Spannungsunterschied zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß wird, kann es zu einem Blitz kommen.

Spannungen innerhalb einer Gewitterwolke

Ein Blitz ist ein Spannungsausgleich innerhalb der Wolke (Wolkenblitz) oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke (Erdblitz). Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied einige 10 Millionen Volt betragen. In feuchter Luft kommt es erst zu einer elektrischen Funkenentladung bei einer Feldstärke von ca. 1 Million Volt pro Meter. Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen. Die Luft muss zuerst durch Ionisation leitfähig gemacht werden, damit es zu einer Blitzentladung kommen kann.

Entstehung eines Blitzkanals durch Ionisation

Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Dadurch wird ein Blitzkanal geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stoßionisation gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar Richtung Erdboden gerichtet, variieren aber alle paar Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch kommen die Zick-Zack-Form und die Verästelungen des Linienblitzes zu Stande. Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen geht vom Boden eine Fangentladung aus, welche bläulich und sehr dunkel ist. Diese tritt meist bei spitzen Gegenständen (wie Bäumen, Masten oder Kirchtürmen) aus, welche sich von der Umgebung abheben. Die Fangentladung trifft häufig aber nicht immer mit den Vorentladungen zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal zwischen Wolke und Erdboden. Der Blitzkanal weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann die Hauptentladung, welche sehr hell ist und von uns als Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten des Blitzes wird durch Plasma verursacht.

Dauer und Stromstärke von einzelnen Blitzentladungen

Im Durchschnitt bilden 4-5 Hauptentladungen einen Blitz. Die Vorentladungen benötigen zusammengenommen etwa 0.01 s, die Hauptentladung dauert nur 0.0004 s. Nach einer Erholungspause zwischen 0.03 s und 0.05 s erfolgt eine neue Entladung. Es wurden schon bis zu 42 aufeinander folgende Entladungen beobachtet. Dadurch kommt das Flackern eines Blitzes zu Stande, welches man mit bloßem Auge erkennen kann. Die Stromstärke einer Hauptentladung beträgt im Durchschnitt etwa 20.000 Ampere. Bei den Vorladungen wird der Erdoberfläche meist negative Ladung zugeführt und bei den Hauptentladungen wird der Atmosphäre meist positive Ladung zugeführt. Dies entspricht einem elektrischen Strom von der Erdoberfläche zur Atmosphäre. In seltenen Fällen wird positive Ladung der Erdoberfläche zugeführt. Man spricht dann von einem positiven Erdblitz. Meist handelt es sich hierbei um eine besonders intensive Entladung, deren Hauptentladung auch deutlich länger anhält als beim Negativblitz.

Länge eines Blitzes

Die durchschnittliche Länge eines Erdblitzes beträgt in mittleren Breiten 1-2 km, in den Tropen 2-3 km. Ein Wolkenblitz ist ca. 5 bis 7 Kilometer lang, es wurden aber mittels Blitzradar auch schon Längen (in Wolken) von 140 km bestimmt.

Entstehung des Donners

Hauptartikel: Donner Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30'000°C erhitzt. Dies führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, wodurch der Knall des Donners hervorgerufen wird. Da der Schall im Gegensatz zum Licht (ca. 300'000 km/s) nur eine Geschwindigkeit von 332 m/s (bei 0 °C) aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Das Grollen des Donners kommt durch Echo-Effekte und durch unterschiedliche Distanzen zum Blitzkanal zu Stande und ist ab einer gewissen Entfernung zum Blitzeinschlag hörbar. Blitzentladungen innerhalb der Wolke werden gewöhnlich von einem gedehnteren und weniger scharf polternden Schall begleitet. Dies hängt zum einem mit der gewöhnlich größeren Distanz zusammen, ist aber vor allem auf die verschiedene Struktur von Erdblitz und Wolkenblitz zurückzuführen.

Erscheinungsformen

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. Echo

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

Hauptartikel: Kugelblitz Die Existenz des (meist als etwa fußballgroße Erscheinung beschriebenen) Kugelblitzes ist eine heute noch umstrittene Frage, obwohl es durchaus Fotos gibt. Die nur selten berichteten Phänomene können angeblich durch Mauern dringen und sich langsam in Bodennähe bewegen. Künstliche Kugelblitze sollen in einigen Laboren schon erzeugt worden sein.

Wetterleuchten

Kugelblitz 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

Hauptartikel: Elmsfeuer Ein Elms-Feuer ist eine Funkenentladung. Sie tritt meist an hohen Gegenständen wie Fernsehantennen, Schiffsmasten, Flugzeugen (beim Fliegen in Gewitternähe oder einer mit Aschepartikeln durchtränkten Luftschicht) 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.

Positiver Blitz

Ein positiver Blitz ist ein Blitz, bei dem die Blitzentladung aus dem oberen, positiv geladenen Teil der Wolke zum Boden erfolgt. Diese Blitze sind um einiges stärker als "normale" negative Blitze und können kilometerweit vom eigentlichen Gewitter entfernt einschlagen. Zusätzlich "brennen" sie auch länger als ein negativer Blitz, wodurch sie einen weit größeren Schaden anrichten können. Es wird vermutet, dass positive Blitzschläge Auslöser der Red Sprites sind.

Blue Jets, Red Sprites und Elfen

Gewitter Bei den „Elfen“ (engl.: Elves) handelt es sich um Blitzentladungen, die die Gase in der Ionosphäre erleuchten. Sie treten über großen Gewitterwolken als rötlicher Ring in etwa 90 km Höhe auf und werden vermutlich durch Wolkenblitze induziert. Die „Kobolde“ (engl.: Sprites) tauchen in der Mesosphäre in einer Höhe von etwa 70 km ebenfalls über gewaltigen Gewittern auf. Sie breiten sich im Millisekundenbereich nach oben und unten aus, erscheinen meist rötlich und haben unterschiedliche Formen, von Pilzgebilden bis hin zu Lattenzäunen. Sie entstehen oberhalb der Wolken, unter denen sich ein positiver Blitz seinen Weg zur Erde bahnt. Das bedeutet, dass positive Blitze und Sprites zusammen auftreten – der Blitz unterhalb der Wolke und der Sprite oberhalb der Wolke. 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 so genannten 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 und registriert nun die „Blauen Blitze“ mit einer Anordnung von vier großen Spiegeln . Das Projekt wird von 70 Wissenschaftlern aus Europa und Afrika betreut (aus Deutschland das MPI Heidelberg und vier 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.

Häufigkeit von Blitzen

Astronomen Weltweit gibt es jederzeit 2.000 bis 3.000 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° Celsius 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 bei weniger als einem Blitz pro km² jährlich, in Österreich und Norditalien bei 1 - 2, in Slowenien bei 3. Fast überall gibt es kleinere Bereiche, in denen die Blitzhäufigkeit zwei- bis dreimal höher als in der Umgebung ist 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. Zudem gibt es in Großstädten mehr Blitze, was vermutlich mit der Luftverschmutzung und der Lufttemperatur zusammen hängt. Am häufigsten blitzt es in Deutschland im Schwarzwald, in Österreich und Italien an den Südlichen Kalkalpen. Besonders häufig kommen Blitze in Durban in Südafrika vor.

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 zum Beispiel Siemens oder des österreichischen bis Mitteldeutschland reichenden ALDIS, welche Blitzeinschläge auf wenige Meter genau orten.

Blitzforschung

Geschichte


- 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! Grundsätzlich sind bei Gewitter jedoch jegliche Bäume zu meiden!

Aktuell

In Brasilien untersucht das DLR-Forschungsflugzeug Falcon die Entstehung von Stickoxiden durch Blitze in tropischen Gewittern. Auch in Österreich läuft auf dem Salzburger Gaisberg ein Blitzforschungsprojekt von ALDIS.

Blitzschäden

ALDIS 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. In Autos soll man auch sicher sein, da diese wie ein Faradayscher Käfig funktionieren und den Blitz außen ableiten sollen. Je nach Beschaffenheit der Außenhaut des Fahrzeugs (Kunststoff) kann dies jedoch nicht immer zutreffen; es gibt in der Literatur Hinweise, dass es zu Personenschäden in Fahrzeugen gekommen sein soll. 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. 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. Derartige Spannungsunterschiede bauen sich durch Reibungsvorgänge zwischen Eiskristallen in Gewitterwolken auf. Die Temperatur am Einschlagpunkt, wo bei Metallen ein kleines Loch geschmolzen wird, kann bis über 30.000° Celsius betragen. 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

Wenn man vom Gewitter überrascht wird, möchte man meistens zweierlei erreichen: nicht nass zu werden, und was noch viel wichtiger ist, vom Blitz verschont zu bleiben. Für das Erste nimmt man am besten regendichte Kleidung. Um nicht vom Blitz getroffen zu werden, gilt es, zwei Dinge zu beachten:
- Nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden :Dazu gehört: :
- Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen zu suchen. :
- Auf offenem Gelände sich möglichst klein machen, um kein direktes Ziel darzustellen.
- Nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein :Dazu gehört: :
- Die unmittelbare Nähe von Holzmasten meiden. :
- Abstand von Bäumen halten - wegen Sekundärblitzgefahr und möglicherweise umhergeschleuderten Holz- und Rindenteilen. :
- Hinkauern, nicht hinlegen, Kontaktbereich zum Boden minimieren, beim Hocken Arme am Körper lassen, Kopf einziehen, Füße zusammenstellen (kleinere Schrittspannung). Dies wird durch Gummisohlen (oder anderes isolierendes Material) unterstützt. :
- Enge Mulden und Höhleneingänge meiden, besser auf ebenes Terrain stellen, oder tiefer in die Höhle gehen, der Blitz verteilt sich größtenteils an der Oberfläche und kann in Höhlen der Wandkrümmung oft nicht folgen und überspringt den Eingang als Sekundärblitz, analog mit Bodenmulden. Oft falsch verstanden und lebensgefährlich ist 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. Das Risiko durch Bäume ist außerdem dadurch gegeben, dass der Blitz zwar oben in den Baum einschlägt, aber weiter unten wieder herauskommt und dann in den dort schutzsuchenden Menschen einschlägt. Ein weiterer 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. Bei einem Gewitter die nächstgelegene Buche zu suchen, ist allerdings ein gefährlicher Fehler - auch in Buchen schlagen Blitze ein. Richtig ist, alle Bäume, hohe Holzmasten und Gewässer bei einem Gewitter zu meiden. Kammlagen und hohe Bäume sollten – auch im Wald – gemieden werden und nur dann, wenn man sich tief im Wald befindet, gilt das oben erwähnte Sprichwort. Sich in eine Mulde oder in eine Höhle zu ducken, kann zwar das Riskio minimieren, direkt vom Blitz getroffen zu werden, aber es ist unbedingt zu beachten, dass insbesondere in engeren Mulden und in Höhleneingängen das Risiko, von einem Blitzeinschlag betroffen zu werden, trotzdem 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, der dann in dort befindliche Menschen einschlagen kann. Es wird empfohlen, auf Zehenspitzen (ohne Abstützen durch Hände auf dem Boden oder an Dingen in der Nähe) in die Hocke zu gehen und den Kopf einzuziehen. Dabei sollte man sich von allem fernhalten, was Kontakt mit dem Boden hat und den Strom leiten kann, z. B. Regenpfützen oder Pfähle. Hinlegen oder breitbeiniges Hinstellen erhöhen das Risiko, bei einem indirekten Blitzeinschlag von dem sich im Boden ausbreitenden Blitz eine hohe Schrittspannung "abzugreifen". Gegen einen direkten Blitzschlag können aber auch mehrere Zentimeter dicke Gummisohlen nicht schützen.

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 (zum Beispiel anhand der Lage und Ausdehnung des Gebäudes) oder zu schweren Folgen (zum Beispiel 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 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. Weichen die Berechnungsergebnisse der Risikoermittlung von den gesetzlichen Forderungen ab, so sind grundsätzlich die höheren Anforderungen umzusetzen. Die Risikoermittlung wird immer nur der erste Schritt bei der Planung einer Blitzschutzanlage sein, in einem weiteren Schritt sind die baurechtliche Besonderheiten zu berücksichtigen und anschließend sind die in der Risikoermittlung getroffenen Annahmen (ausgewählte Reduktionsfaktoren, Schadenfaktoren etc.)umzusetzen. Auch für die anschließende Planung des Blitzschutzes einer baulichen Anlage werden in der DIN V VDE V 0185 Teil 1-4 weiterführende Aussagen getroffen.

Weblinks


- [http://www.electricworld.de/blitz.htm Physik der Gewitter und Blitze]
- [http://www.nzz.ch/2005/07/27/ft/articleCZH2F.html Kosmische Teilchen als Auslöser von Blitzen?]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/umwelt_technik/02_blitze/interesse.htm Blitzfragen und Blitzschutz]
- [http://www.blids.de/ BLIDS - Blitz-Informations-Dienst von Siemens; ortet Gewitterblitze in Deutschland und anderen Ländern]
- [http://www.aldis.at/forschung/projekte.html Blitzforschungsprojekt Gaisberg]
- [http://science.nasa.gov/newhome/headlines/essd18jun99_1.htm Artikel der NASA, zu den Auswirkungen von Blitzschlägen auf den Menschen (engl.)] Kategorie:Physik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Meteorologie Kategorie:Wortexport ko:번개

Donner

Donner ist das krachende, mahlende oder rollende Geräusch, das von einem Blitz während eines Unwetters erzeugt wird. Der Knall nach einem Blitz, der weiterführend als Donner bezeichnet wird, entsteht durch die plötzliche Ausdehnung der Luft. Dies passiert aufgrund der starken Hitzeentwicklung, die ein Blitz verursacht. Die Luft dehnt sich mit einer Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit aus und sie durchbricht die Schallmauer. Daher kann man einen Donner mit einem lauten Knall hören. Wenn man die Sekunden, die nach der Wahrnehmung eines Blitzes bis zum Donner verstreichen, durch 3 teilt, dann erhält man die ungefähre Entfernung des Gewitters in Kilometern, da das Licht des Blitzes aufgrund der Lichtgeschwindigkeit von etwa 300.000 km/s fast zeitgleich eintrifft, der Schall sich in Luft in Bodennähe aber nur mit rund 330 m/s fortpflanzt.

Weblinks

Donner und Blitz: http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/donnerbl.html
- [http://wetterchronik.de/donner.htm Donner zum Anhören] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Geräusch ja:雷 simple:Thunder

Temperaturgradient

Als Temperaturgradienten bezeichnet man einen räumlichen Temperaturunterschied, der durch einen mathematischen Gradienten beschrieben wird. Der Temperaturgradient ist üblicherweise in alle drei Raumrichtungen ausgeprägt und gibt daher den Temperaturunterschied in x-, y-, und z-Richtung an. Für spezielle Anwendungen ist jedoch auch nur ein zwei- oder gar eindimensionaler Temperaturgradient von Belang, wobei sich dieser auch wesentlich einfacher auf mathematischen Wege beschreiben lässt. Der Temperaturgradient ist ein wesentlicher Bestandteil vieler technischer Fragestellungen, zum Beispiel der Diffusion, Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion. In der Meteorologie ist der atmosphärische Temperaturgradient von entscheidender Bedeutung. In der Geologie und besonders in der Geothermie spielt der Temperaturgradient der Erdkruste, die so genannte geothermische Tiefenstufe eine wichtige Rolle.

Temperaturgradient mathematisch

Ein positiver Gradient heißt "Temperaturanstieg" und ein negativer Gradient "Temperaturgefälle". In kartesischen Koordinaten gilt: grad \ \vartheta = \frac \cdot \overrightarrow_x + \frac \cdot \overrightarrow_y + \frac \cdot \overrightarrow_z Kategorie:Physik

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :\frac = \frac Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: : T := \frac Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
- \sqrt - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante kB bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau kBT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: : \overline = \frac m \overline Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung

Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit

Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.

Nicht-SI-Einheiten

Die empirische Temperatur (Formelzeichen: \vartheta; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : \vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15 . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.

Temperaturskalen

Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.

Ausgewählte Temperaturen

Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.

Siehe auch


- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität

Weblinks


- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

Luftschicht

Eine Luftschicht ist ein (hauptsächlich horizontal) ausgedehnter Bereich der Atmosphäre der durch folgende Eigenschaften: Feuchte, Aerosolgehalt, äquivalentpotentielle Temperatur gekennzeichnet ist. Einzelne Luftschichten werden in vertikaler Richtung häufig durch Temperatursprünge (Inversionen), Feuchtesprünge oder eine Veränderung der Schichtungsstabilität getrennt. In einer stabilen Luftschicht herrscht eine Temperaturabnahme von weniger als 1°C pro 100m. In einer labilen Luftschicht nimmt dagegen die Temperatur um mehr als 1°C pro 100m ab. Durch Ablenkung des Lichtes an übereinanderliegenden, unterschiedlich warmen Luftschichten entsteht das Phänomen der Fata Morgana. Kategorie:Meteorologie

Latente Wärme

Als latente Wärme bezeichnet man die bei einem Phasenübergang aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Latent heißt sie deshalb, weil die Aufnahme bzw. Abgabe dieser Wärme nicht zu einer Temperaturänderung führt. Spezielle Beispiele sind die
- Verdampfungswärme (=Kondensationswärme) → Phasenübergang flüssig↔gasförmig
- Schmelzwärme → Phasenübergang fest↔flüssig
- Kristallisationswärme → Phasenübergang zwischen amorpher und kristalliner Struktur Die spezifische latente Wärme für einen jeweiligen Phasenübergang ist tabelliert - für die Elemente, siehe Periodensystem der Elemente. Während des Phasenüberganges wird dem Stoff Wärme entzogen oder zugeführt, ohne dass sich seine Temperatur ändert.

Einheiten


- Joule - absolute latente Wärme
- Joule/Kilogramm - auf die Masse bezogen ("spezifische latente Wärme")
- Joule/Mol - auf die Stoffmenge bezogen ("molare latente Wärme")

Bedeutung

Die latente Wärme spielt vor allem in der Meteorologie eine wichtige Rolle, also in Bezug auf die Phasenübergänge des Wassers in der Erdatmosphäre. Auf einer feuchten Erdoberfläche oder gar Wasserfläche wird ein Großteil der Sonnenenergie in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden 2257 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine Änderung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, die Energie wird also sozusagen im gasförmigen Aggregatzustand des Wassers gespeichert. Da diese Speicherung reversibel ist, wird die gleiche Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprünglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung bereitgestellte Energie wird also in größeren Höhen wieder frei und trägt dort zu einer Temperaturerhöhung bei. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphäre wird also nach oben wesentlich langsamer kälter, als ohne die latente Wärme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wäre.

Siehe auch

Spezifische Wärmekapazität, Gibbssche Phasenregel, Latentwärmespeicher, Entropie Kategorie:Thermodynamik

Labile Atmosphärenschichtung

Die Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre und dabei insbesondere der unteren Troposphäre beschreibt deren thermodynamische Stabilität bzw. Labilität bezüglich des vertikalen Temperaturgradienten anhand verschiedener Gleichgewichtszustände. Es wird zwischen einer labilen, stabilen und neutralen Atmosphärenschichtung unterschieden. Die Schichtung der Atmosphäre bestimmt alle vertikalen Luftbewegungen und ist damit von elementarer Bedeutung für alle konvektiven Vorgänge innerhalb der Erdatmosphäre sowie den damit verbundenen Prozessen der Wolkenentstehung oder Luftverschmutzung. Über die Thermik bildet sie zudem die Grundlage des Segelflugs und vieler anderer Luftsportarten.

Grundlagen

Atmosphärische Temperaturgradienten

Grundsätzlich muss man zwischen zwei Arten von atmosphärischen Temperaturgradienten unterscheiden: den dynamischen Gradienten eines Luftpakets und den statischen Gradienten der Atmosphäre. Die messbare Lufttemperatur nimmt innerhalb der Atmosphäre oft sehr uneinheitlich mit der Höhe ab, in der Regel jedoch mit einer klaren Tendenz. Üblicherweise handelt es sich um eine Temperaturabnahme, die Luft wird nach oben also immer kälter. Nimmt die Lufttemperatur stattdessen mit der Höhe zu, so spricht man von einer Inversion. Gegenüber diesem Umgebungsgradienten besitzt ein sich vertikal bewegendes Luftpaket eine eigene, dynamische Temperaturänderung. Die Unterscheidung zwischen beiden Fällen liegt nun daran, dass sich die aufsteigende Luft in der Regel kaum mit der Umgebungsluft mischt und auch eine Anpassung an die Umgebungstemperatur in einer idealisierten Betrachtung vernachlässigt werden kann. Die eigentliche Abkühlung des Luftpakets geht dabei unabhängig von der Umgebung und der dort herrschenden Temperatur vonstatten, denn sie liegt im Joule-Thomson-Effekt begründet. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Abnahme der Temperatur mit der Höhe in Bezug auf die Bewegung eines Luftpakets nicht mit dem statischen Zustand der Erdatmosphäre identisch sein muss. Dabei kann das Luftpaket seine Temperatur schneller, gleichschnell oder langsamer als seine Umgebung ändern. Deren relative Temperatur in einer bestimmten Höhe kann also beliebig sein, was jedoch auch Folgen für die Bewegung des Luftpakets selbst hat.

Vertikalbewegung eines Luftpakets

Als Modellannahme wird in der Regel ein Luftpaket betrachtet, dass sich entsprechend dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten verhält und in einer bestimmten Höhe die gleiche Temperatur bzw. Dichte wie die umgebende Luft besitzt. Das Luftpaket erfährt also ausgehend von dieser Anfangstemperatur bei der Hebung eine Abkühlung und bei der Senkung eine Erwärmung um jeweils 9,8 Grad Celsius je Kilometer. Diese Höhenänderungen erfolgen adiabatisch-reversibel, es wird dem Luftpaket also keine Wärme zugeführt oder entzogen, es tritt keine Mischung mit der umgebenden Luft ein und es kommt nicht zur Kondensation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs. Letzteres ist hingegen bei einem feuchtadiabtischen Aufstieg des Luftpakets der Fall, wobei es zu einem solchen meist im Anschluss an einen zunächst trockenadiabtischen Aufstieg kommt. Durch die damit einhergehende Abkühlung steigt die relative Luftfeuchtigkeit an und hat am Taupunkt schließlich das Kondensationsniveau erreicht. In dieser Höhe setzt die Kondensation und somit Wolkenbildung ein. Die dabei freigesetzte latente Wärme verringert den trockenadiabtischen auf den feuchtadiabtischen Gradienten. Da alle Betrachtungen des atmosphärischen Schichtungszustands für beide Fälle gleichermaßen gelten, sich also nur der jeweilige Bezug ändert, wird im Weiteren nur noch allgemein von einem adiabtischen Gradienten gesprochen.

Archimedisches Prinzip

Von Bedeutung ist nun, dass warme Luft eine geringere Dichte besitzt als kalte Luft. Nach dem Archimedischen Prinzip folgt dabei aus dem Unterschied zwischen der Dichte des betrachteten Luftpakets und derjenigen des umgebenden Mediums ein resultierender Auf- oder Abtrieb sowie ein Schwebezustand wenn sich beide gleichen sollten. Die anfängliche Hebung oder Absenkung muss folglich aus irgendeinem Grunde erzwungen werden, was im Weiteren jedoch vorausgesetzt wird. Der recht einfache mathematische Grundzusammenhang ist in folgender Gleichung dargestellt: :a = \frac = g \cdot \frac = g \cdot \frac Hier bezeichnen U die Umgebungsluft und L das Luftpaket. Das Formelzeichen a steht für die Beschleunigung, die das Luftpaket in vertikaler Richtung erfährt, und g für die Schwerebeschleunigung. Wie man sieht ist die Beschleunigung gleich Null, wenn die Temperaturen bzw. Dichten von Luftpaket und Umgebung identisch sind, und umso größer, je weiter sie auseinander liegen. Das Vorzeichen bestimmt dabei die Richtung, eine positive Beschleunigung führt also zu einem Aufsteigen und eine negative Beschleunigung zu einem Absinken des Luftpakets.

Neutrale Schichtung

Schwerebeschleunigung Der einfachste Fall ist derjenige der neutralen oder indifferenten Atmosphärenschichtung. Dabei ist die vertikale Temperaturabnahme der Atmosphäre gleich der des Luftpakets. In der Realität wür