Feuerwerk am Himmel - Blitze

Es blitzt, es donnert und kracht ganz laut - ein beeindruckendes Wetterphänomen, das vor allem im Sommerhalbjahr vorkommt. Ein Blitz stellt eine Funkenentladung innerhalb von oder zwischen Wolken und der Erde dar. Blitze verursachen oft große Schäden, Brände und Stromausfälle.

Wenn viele kleine Wassertröpfchen und Eiskristalle in einer Wolke zusammenstoßen und sich aneinander reiben, dann erzeugt das elektrische Spannung innerhalb der Wolke. Wenn es in einer Gewitterwolke blitzt, fließt elektrischer Strom. Der gewaltige Spannungsunterschied zwischen negativ und positiv geladenen Regionen wird durch Funkenüberschlag in Form von Blitzen überbrückt. Ein solcher Spannungsausgleich kann auch zur Erde hin erfolgen. Der Funke springt quasi über und dies wird als Blitz bezeichnet.

Die Entfernung eines Blitzes kann man leicht abschätzen: Man zählt die Sekunden zwischen Blitz und Donner und teilt den Wert durch drei. Damit erhält man die Entfernung in Kilometern.

Wenn warme und feuchte Luft aufsteigt, können sich mächtige Gewitterwolken bilden. Passieren die Wassertröpfchen die Null-Grad-Grenze, treffen sie immer häufiger auf Eis und gefrieren ebenfalls. Denn die Eiskristalle wachsen immer mehr, indem sich unterkühlte Wassertröpfchen verstärkt an sie anheften oder durch Kollisionen von Graupelkörnern.

Stoßen Graupelkörner nun mit leichteren Eiskristallen zusammen, entreißen sie diesen Elektronen und die Ladungstrennung beginnt. Innerhalb der Wolke baut sich schließlich elektrische Spannung auf. Während sich an ihrer Unterseite zunehmend negativ geladene Teilchen anhäufen, sammeln sich oben die positiv geladenen Teilchen. Beträgt der Spannungsunterschied mehrere Millionen Volt, versucht die Wolke den Ladungsunterschied auszugleichen. Der Blitz entlädt sich schließlich schlagartig innerhalb der Wolke.

Manchmal bildet aber auch die Erdoberfläche den Pluspol. Dann zucken Blitze aus der Wolke Richtung Boden. Rund 10 Prozent aller Blitze bahnen sich deshalb einen Weg zur Erde. Je turbulenter die ladungstrennenden Vorgänge in einer Gewitterwolke ablaufen, umso intensiver entwickelt sich auch ihre elektrische Aktivität und damit die Zahl derjenigen Blitze, die auf der Erde einschlagen. Der Ablauf einer Blitzentladung gliedert sich wie folgt: Zunächst bildet sich ein Blitzkanal (meist zick-zack-förmig). Dazu dient eine sogenannte Vorentladung. Sobald sich die beiden Blitzkanalteile getroffen haben, ist eine leitende Verbindung erstellt und es kommt zum Stromfluss, der den eigentlichen Blitzschlag auslöst.

Bei der Ladungstrennung bauen sich sehr hohe Spannungen von mehreren Millionen Volt auf. Bei einem Blitz können gewaltige Stromstärken von bis zu 400.000 Ampere auftreten und Temperaturen, die höher sind als auf der Sonnenoberfläche. Hier ein paar Fakten zu Blitzentladungen:

Trotz Blitz kein Donnerschlag wahrnehmbar? Das liegt daran, dass sich Schallwellen nicht unendlich weit ausbreiten können und das Gewitter zu weit weg ist. Der Knall breitet sich in alle Richtungen aus, die Lautstärke nimmt jedoch mit der Entfernung zum Blitz ab. Außerdem kann der Schall des Donners auch verschluckt oder um den Beobachter herum reflektiert werden, zum Beispiel durch bebaute oder bewaldete Flächen.

Meistens lässt sich der Donner bis zu 25 Kilometer weit hören, bei günstigen Bedingungen sogar bis zu 50 km. Wenn nach einem Blitz kein Donner folgt, entlädt sich das Gewitter in zu großer Entfernung zum Beobachter.

Wenn keine einzelnen Blitze erkennbar und kein Donner hörbar sind, dann handelt es sich um ein sogenanntes Wetterleuchten. Das Gewitter ist dann so weit entfernt, dass die Reflexion der Blitze in den Wolken und in Wassermolekülen am Himmel zu sehen sind, der Knall bleibt jedoch aus.

Die Zeitraffer-Aufnahmen zeigen sogenannte Crawler-Blitze. Dies Blitzart pflanzt sich in langgestreckten Formationen im und unter dem Wolkenschirm kilometerweit über den Himmel fort.

Red Sprites und Blue Jets rasen von den Oberseiten der Gewitterwolken ins Weltall. Eine zentrale Bedeutung dürften die starken elektrischen Felder haben, die sich an Gewitterwolken bilden. Diese regen Elektronen an, die schließlich Stickstoff- und andere Moleküle in der hier bereits extrem dünnen Atmosphäre zum Leuchten bringen. Aufnahmen solcher Blitzphänomene haben einen Seltenheitswert und kommen nur über schweren Gewittern vor.

Red Sprites, die auch Kobolde genannt werden, sind rote Lichtblitze und schießen als gewaltige Energiebündel mehr als 80 Kilometer hoch in den Himmel. Doch anders als bei erdnahen Blitzen zerfallen die Sprites in zahllose rotleuchtende Verästelungen von rund 20 Kilometern Länge, die sich auf einen Raum von bis zu 50 Kilometern Durchmesser ausdehnen können. Ihr rötliches Leuchten kommt durch Ionisierung von Luftmolekülen hoch über Gewitterwolken zustande.

Einige Sprites ähneln riesigen Quallen, während andere vertikale Säulen aus rotem Licht bilden. Das faszinierende Farbspiel dauert allerdings nur Bruchteile von Sekunden und kann in dieser kurzen Zeit vom menschlichen Auge kaum erfasst werden. Mithilfe hochempfindlicher optischer Geräte kann dagegen das ganze Ausmaß dieser spektakulären Lichterscheinungen sichtbar gemacht werden.

Diese Zeitlupenaufnahme zeigt einen Red Sprite über Puerto Rico im September 2021 besonders deutlich:

Mit den Red Sprites verwandt sind Blue Jets und Elves (deutsch Elfen). Auch Blue Jets starten pulsierend an verschiedenen Stellen am Himmel und zischen dann stramm aufwärts. Ihre charakteristischen bläulichen Farbtöne zeichnen sie ebenfalls aus, sie sind jedoch deutlich lichtschwächer.

Blue Jets sind außerdem der Erde näher und tauchen in rund 40 Kilometern Höhe auf. Diese meist kegelförmigen elektrischen Entladungen ragen bis zu 56 Kilometer in den Himmel, also bis zur Stratopause, bevor sie sich auflösen.

Blue Jets sind größtenteils nur aus dem Weltraum zu beobachten und gelten als sogenannte Plasma-Entladungen. Forscher und Forscherinnen vermuten ihren Ursprung in einem elektrischen Kurzschluss zwischen den positiv geladenen oberen Regionen einer Wolke und einer Schicht von negativen Ladungen an der Wolkengrenze sowie der Luft darüber. Auch hier wird Stickstoff energetisch angeregt und ionisiert. Er sendet dann das bläuliche Licht aus.

Laut den Beobachtungen des ASIM-Observatoriums nimmt die Strahlung der Blue Jets innerhalb weniger Mikrosekunden im blauen Bereich erst um das Hundertfache zu, flaut dann aber schnell wieder ab. Bei dieser Entladung entstehen an der Grenze zwischen Ionosphäre und Stratosphäre pulsierende blaue Blitze. Hier ein Video, wie Red Sprites und Blue Jets aus der Oberseite von Gewitterwolken herausschießen und in die Hochatmosphäre aufsteigen:

Elfen breiten sich ringförmig 80 bis 90 Kilometer über den Gewitterwolken aus und können Ausdehnungen von 400 Kilometern erreichen. Sie sind nicht mit dem Auge zu erkennen und so lichtschwach, dass sie ohne Hilfsmittel nicht zu sehen sind. Voraus gehen Gammablitze in etwa einem Kilometer unter der Wolkenobergrenze. Hierbei entstehen vermutlich die Gammastrahlen, wenn stark beschleunigte Elektronen auf Atomkerne der Luft treffen, abgebremst werden und dabei hochenergetische Strahlung abgeben.

Neben den Gammastrahlen löst der Blitz in der Gewitterwolke nach spätestens 10 Mikrosekunden auch einen elektromagnetischen Impuls aus, der sich in der Vertikalen bis weit über die Gewitterwolke hinaus ausbreitet, wie das Video zeigt. Empfindliche Sensoren erkennen diese Strahlung im rötlichen bis ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Alle Blue Jets werden am Anfang von UV-Pulsen begleitet, die dann in die ringförmigen Elfen übergehen.

Kobolde und Blue Jets können ähnlich wie Blitze in der Troposphäre die Höhenluft verändern. Im Blue Jet kann es 3000 Grad heiß werden und bei dieser Hitze wandeln sich Teile der Luft in Stickoxide um. Wissenschaftler fanden heraus, dass Blue Jets Millionen von Tonnen dieser Stickoxide in die Stratosphäre verteilen, unter anderem das Treibhausgas Lachgas. Zudem kann ein Blue Jet zu einem starken lokalen Ozonabbau führen, da die gebildeten Stickstoffverbindungen das Gleichgewicht von Ozonbildung und -abbau stören.

Man nimmt an, dass 20 Prozent aller Stickoxide in der Luft auf Blue Jets zurückzuführen sind. Sie tragen demnach zum natürlichen Treibhauseffekt bei.

Noch stärker und weit seltener sind sogenannte Gigantic Jets. Forscher haben herausgefunden, das diese starken Blitzentladungen eine direkte Verbindung zwischen der unteren und oberen Atmosphäre bilden und große Ladungsmengen zwischen ihnen übertragen können.

Typischerweise ereignen sich solche Riesen-Jets über besonders starken, blitzreichen Gewitterstürmen in den Tropen. Sie können jedoch auch weiter südlich und nördlich in den Subtropen entstehen.

Der gigantische, bläulich-weiße stichflammenähnliche Blue Jet rast innerhalb von Millisekunden von der Wolkenoberseite auf rund 20 Kilometern Höhe bis in die untere Ionosphäre. Dieser geht nach oben hin fließend in einen fein verästelten Red Sprite über.

Sein Ursprungsgebiet erstreckt sich meist über eine Fläche von mehreren Hunderten Quadratkilometern, wo der Blitz als normale Entladung zwischen der oberen positiven und mittleren negativen Wolkenschicht beginnt.

Dabei erzeugt solch ein Riesen-Jet starke Strahlenemissionen im Radio- und optischen Bereich, ähnlich einer leuchtenden Fontäne. Gleichzeitig transportiert dieser Aufwärtsblitz enorme Energiemengen in die Ionosphäre.

Eine mögliche Erklärung: In der Wolke baut sich eine ungewöhnlich ausgedehnte und starke Zone negativer Ladungen in mittlerer Höhe auf, die durch Absinken negativ geladener Eiskristalle oder seitliche Scherwinde, die in verschiedenen Höhen in unterschiedliche Richtungen wehen, hervorgerufen werden. Dies führt dazu, dass sich ein großer Überschuss an negativer Ladung in mittlerer Höhe ansammelt.

Parallel dazu wird eine Wolkenschicht mit positiver Ladung von starken, aber lokal begrenzten ausströmenden Winden weit in die Höhe gerissen, was zur starken Ladungstrennung und zum Aufbau eines enormen elektrischen Felds führt. Dies löst dann den Riesen-Jet aus.

Jahr für Jahr werden weltweit Hunderte von Menschen durch Blitzschlag bei Gewittern getroffen, viele von ihnen kommen ums Leben. Verletzte leiden jahrelang unter den Folgen des erlittenen, elektrischen Stromschlages. Dabei helfen schon ein paar einfache Grundregeln, das Risiko zu verringern oder der drohenden Gefahr sogar ganz aus dem Weg zu gehen.

Die elektrischen Entladungen können jederzeit aus dem obersten Teil einer Gewitterwolke bis zum Erdboden reichen, nicht selten schlagen sie viele Kilometer vom eigentlichen Zentrum des Gewitters ein. Obwohl der Hitzestoß nur Bruchteile von Sekunden dauert, kann er Gebäude in Brand setzen oder Bäume geradezu sprengen, weil das Wasser im Stamm explosionsartig verdampft.

Blitze zählen speziell für wetterbegeisterte Fotografen zu den faszinierendsten Phänomenen und gleichzeitig zu den begehrtesten Motiven. Das ist allerdings mit Herausforderungen verbunden: „Nachts ist es tendenziell etwas leichter, einen Blitz zu fotografieren. In der Dunkelheit kann man die Belichtungszeit der Kamera erhöhen und die Chance, einen Blitz zu erwischen, steigt so deutlich“, erklärt Dennis Oswald, WetterFotograf und Meteorologe bei WetterOnline.

Die schöneren Bilder entstehen allerdings während der so genannten Blauen Stunde frühmorgens oder abends nach Sonnenuntergang. Durch das weiche Licht in dieser Zeit sind feine Details in der Landschaft oder auch in der Stadt auf den Fotos besonders gut sichtbar.

Ein guter Blitzfotograf benötigt vor allem Geduld und Ausdauer, weil die genauen Zeiten und Orte von Blitzen nicht exakt vorhersehbar sind. Außerdem ist es ratsam, so viele Fotos wie möglich zu machen, um die Chancen auf ein gutes Bild zu erhöhen.

Gewitter und Blitze können lebensgefährlich sein und dürfen deswegen nicht unterschätzt werden. Sicherheit sollte also auch bei der Fotografie von Blitzen höchste Priorität haben. Mit dem WetterRadar von WetterOnline lassen sich die Zugrichtung eines Gewitters sowie seine Entfernung zu einem Unwetter sehr gut berechnen. Bleiben Sie in der Nähe Ihres Autos, da Sie innerhalb des Wagens ausreichend Schutz vor einem Blitzeinschlag haben.

Sobald das Gewitter nahekommt, sollten Sie in Ihr Fahrzeug einsteigen oder in ein Gebäude hineingehen. Außerdem sollten Sie sich nicht in der Nähe von hohen Objekten wie Bäumen aufhalten.

Für das Fotografieren von Blitzen sollte man folgende Ausrüstung mit sich führen:

Ein Stativ hilft nicht nur gegen Verwackelungen bei längeren Belichtungszeiten, es ist steigert auch die Konzentration bei der Motivwahl. So werden technische Fehler minimiert und die Bilder werden besser.

Ein Weitwinkel- und ein Teleobjektiv bringen maximalen Spielraum, um Ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen. Oswald rät: „Regentropfen auf dem Objektiv verursachen Flecken und unscharfe Bereiche auf dem Bild. Tücher zum Trocknen der Linsen sollten daher immer griffbereit sein.“