Blitz oder Vorblitz und Flugasche → Plasmakugel
 
(István Bencsik, Okt. 2026)
 
 
 
 
Zusammenfassung
Wenn ein Blitz in die Erde einschlägt, entstehen Flugasche und, seltener, Kugelblitze. Flugasche entsteht auch aus anderen Gründen, z. B. bei Flugzeugen, und ist ein häufiges Phänomen. Die Partikelgröße der Flugasche liegt im Bereich von 0,1 bis 250 Mikrometern (µm), wobei der größte Massenanteil üblicherweise zwischen 20 und 25 µm liegt. Es gibt zwei gängige Größen: die feine Fraktion um 0,5–0,6 µm und die gröbere Fraktion von 20–25 µm, gelegentlich auch 10–30 µm. Bei Kugelblitzen sind Aschepartikel kleiner als 0,5–1 µm von Bedeutung, da sie sich nicht absetzen, sondern in der Luft schweben. Die 20–30 µm großen Partikel entstehen durch die Fragmentierung von Kohlenstoffpartikeln. Die Flugasche besteht hauptsächlich aus Silizium-, Aluminium-, Magnesium- und Kalziumoxiden sowie Ruß- und Kohlepartikeln. Das derzeit gängigste Siliziummodell beschreibt Kugelblitze in Nanostruktur, die nicht schweben, sondern absinken.
Entzündet ein Linienblitz oder ein Oberflächenvorblitz (letzterer ist ein unsichtbarer Blitztyp, ein sogenannter Streamerang, weshalb es je nach Entstehung mindestens zwei Arten von Kugelblitzen gibt) das brennbare Material, den Kohlenstaub und die Rußpartikel in der schwebenden, heißen Flugasche, entsteht ein Plasma mit einer durchschnittlichen Temperatur von 2000–4000 Kelvin – ein seltenes Phänomen. Wir haben ein neues Kugelblitzmodell entwickelt, das wir im Folgenden beschreiben werden.
Die Verbrennung des Kohlenstoffs in der Flugasche findet in einer sauerstoffarmen Umgebung statt und kompensiert so die Energieverluste. Die chemische Verbrennung setzt in einem durch Blitze ionisierten und auf 3000–4000 K erhitzten Medium ein. Die Erhitzung erfolgt durch Blitze und Streamerangs. Die chemische Reaktionswärme erwärmt das System nicht von Grund auf, sondern gleicht die Energieverluste bei hohen Temperaturen aus. Wir untersuchen die Eigenschaften, die Kühlung, die Entzündbarkeit, die Stabilität und die Energiebilanz des brennbaren Plasmas:
Pchemisch = PStrahlung + PKonvektion + Pkonduktiv + PGyéb.
In etwa einem Drittel der Beobachtungen verursacht der Blitzschlag nicht direkt einen Kugelblitz. In fast allen Fällen bildet sich vom Blitzeinschlagsort ein Streamer (aufwärts gerichteter Blitz). Die Kugeln entstehen durch unsichtbare Vorblitze, selten durch Koronaentladungen*. Die Entzündbarkeit der schwebenden Asche liegt bei 700–800 Kelvin. Die Spitze terrestrischer Blitze, der Streamerkopf, weist eine hohe Elektronentemperatur auf, während das Gas im Streamerkopf üblicherweise kalt ist. Die Energie der darin bewegten Elektronen ist jedoch hoch und beträgt mehrere Zehntausend Kelvin. Auch bei Streamern kann der Kanal hinter dem Streamerkopf in seltenen Fällen die Gasmoleküle bei hoher elektrischer Feldstärke auf 3000–4000 Kelvin erhitzen. Erreicht die Konzentration des schwebenden Kohlenstaubs eine zündfähige Konzentration, kann die elektrische Entladung des Streamerkopfs die Asche entzünden, sobald die Mindestzündenergie des Kohlenstaubs (ca. 30–100 mJ) erreicht ist.
Elektronentemperatur vs. Gastemperatur: im Normalfall handelt es sich beim Streamerkopf um ein nicht-thermisches (kaltes) Plasma. Um die Gasmoleküle auf 3000–4000 Kelvin zu erhitzen, ist eine anhaltende Feldspannung erforderlich. Die Erhitzung der Moleküle erfolgt durch Kollisionen von Teilchen, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Dadurch kann die Gastemperatur innerhalb von Nanosekunden um mehrere tausend Kelvin ansteigen. Die lokale Temperatur erreicht 4000 Kelvin.
Die Elektronen und Ionen im Plasma (Luft und Asche) erzeugen eine Debye-Abschirmung. Diese Abschirmung wandelt das Coulomb-Potenzial in das Yukawa-Potenzial um, wodurch das Plasma in einen flüssigkeitsähnlichen, stark gekoppelten Zustand, den Yukawa-Staubplasma-Zustand, gezwungen werden kann. Bei kleinen Partikelgrößen unter 1 µm ist der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigbar; die Partikel setzen sich nicht ab. Aufgrund der asymmetrischen Kräfte und der freien Energie, die auf die Oberfläche wirken, entsteht Oberflächenspannung. Diese minimiert die Plasmamasse und die freie Energie und führt so zur Kontraktion des Plasmas in die geometrische Form mit der kleinsten Oberfläche, einer Kugel. Im stark gekoppelten, kondensierten Yukawa-Staubplasma können kollektive Wechselwirkungen und die effektive Oberflächenenergie somit zur Ausbildung einer Kugelform führen. Dies ist eine mögliche Erklärung für die nahezu kugelförmige Gestalt von Kugelblitzen. Die Levitation der Staubpartikel im Plasma wird durch ihre geringe Größe gewährleistet. Ein externes elektrisches Feld ist nicht erforderlich, da die Partikel aufgrund ihrer elektrostatischen (Yukawa-)Abstoßung stabil nahe beieinander bleiben. Freie Elektronen sind jedoch für die Ionisierung des Plasmas notwendig.
Energieverluste und Stabilität der Kugel werden durch chemische Erhitzung (Kohlenstoff; je nach Temperatur ist jedoch die Verbrennung verschiedener Materialien möglich) sichergestellt. Für eine gleichmäßige Verbrennung und Levitation muss der Sauerstofffluss für die beobachtete Lebensdauer von wenigen Sekunden bis einigen zehn Sekunden ausreichen. Die nahezu konstante Verbrennungstemperatur wird durch die Rekombination von Kohlendioxid, Wasserdampf und freien Radikalen gewährleistet. Diese negativen Rückkopplungseffekte halten die Kugel bei 3000–4000 K.
Yukawa-Staubplasma ist ein häufiges Naturphänomen. Die durchschnittliche Temperatur der bodennahen Elemente (Kohlenstoff, Silizium, Eisen, Kalzium), aus denen Kugelblitze im Kern bestehen, lag bei Beobachtungen von Einzellinienblitzen bei etwa 4000 Kelvin, während sie in den äußeren, kontinuierlichen Spektralbereichen der Kugel nur 2700 Kelvin betrug.
Zündtemperatur + staubige Asche → Yukawa-Staubplasma
Es ist nicht offensichtlich, dass die durch Blitze erzeugte Asche brennbares Material enthält und dass Blitze diese Asche entzünden können, doch das Phänomen tritt auf. Am Einschlagort eines Linienblitzes bilden sich oft bodennahe Vorblitze. Ein sogenannter Streamer – oder Elmsfeuer*, der sich in einen Streamer verwandeln kann – kann dann die zuvor entstandene brennbare Asche entzünden. Da der aufwärts gerichtete Blitz einen Plasmakanal besitzt (aufgrund von Kollisionen erreicht seine Temperatur selten den Bereich von 1000–4000 Kelvin, die Temperatur der Elektronen ist jedoch hoch, typischerweise zwischen 2 und 5 Elektronenvolt, was auf der herkömmlichen Temperaturskala einem Wert zwischen etwa 23.000 K und 58.000 K entspricht, 1 eV ≈ 11.600 Kelvin), werden die Partikel, insbesondere die Kohlenstoffpartikel im Blitzkopf und seiner unmittelbaren Umgebung, selten auf die Zündtemperatur erhitzt. Das Kohlenstoffpulver selbst ist ein blitzanziehendes, leitfähiges Material. In der Luft schwebendes Kohlenstoffpulver ist nicht nur entzündlich, sondern im Vergleich zu sauberer, trockener Luft auch ein hervorragender elektrischer Leiter. Wenn ein Bodenblitz vom Boden ausgeht, bilden die mikroskopisch kleinen Kohlenstoffpartikel unter dem Einfluss der Feldkraft eine Kette, die das Wachstum des Plasmakanals begünstigt. Die schwebende Kohlenstaubwolke trägt zur Entstehung des Bodenblitzes bei, da sie die Durchschlagspannung der Luft reduziert. Bildet sich aus dem glühenden Kohlenstaubplasma ein Yukawa-Plasma (Yukawa-Flüssigkeit), lässt sich das resultierende System mit einem Mischmaterial-Plasmamodell beschreiben, in dem die Energie der chemischen Verbrennung in das Gleichgewichtssystem des Plasmas einfließt. Es ist ein Modellierungsfehler, nur ein Element oder eine Verbindung der brennbaren Materialien – z. B. nur Kohlenstoff – zu betrachten. Korrekterweise muss gesagt werden: Die chemische Verbrennung ersetzt die Plasmaverluste durch die brennbaren Materialien im Yukawa-Staubplasma.
Chemische Verbrennung → Stabilität → Schwebendes Plasma
Im Blitzkanal lagern sich freie Elektronen und Ionen an den schwebenden Kohlenstaub, Ruß und andere Partikel an. Da die Kohlenstoffpartikel im Vergleich zu den Gasmolekülen groß sind, können sie eine enorme negative elektrische Ladung von bis zu mehreren tausend Mal aufnehmen. Die mögliche Sedimentation begrenzt die Partikelgröße. Die geladenen Kohlenstoffpartikel schirmen sich aufgrund der Elektronen und Ionen im Plasma gegenseitig ab. Die Wechselwirkung zwischen ihnen wird durch das Yukawa-Potenzial (abgeschirmtes Coulomb-Potenzial) bestimmt. Die schwebende Asche und der Blitz bilden zusammen ein stark gekoppeltes Yukawa-System. Eine Eigenschaft des Yukawa-Staubplasmas ist seine Oberflächenenergie mit asymmetrischen Kräften. Dieses Phänomen ähnelt der Oberflächenspannung und führt zu einer Kontraktion des Plasmas. Der begrenzte Sauerstofffluss verlängert den Verbrennungsprozess und stabilisiert so die sphärische Form.
Die Bedingung für Levitation ist nicht nur das Gleichgewicht zwischen Gravitations- und Auftriebskraft, sondern auch die konstante Temperatur des Plasmas, für die der geringe, konstante Sauerstofffluss vermutlich nicht ausreicht. Es konnten selbstregulierende Prozesse gefunden werden, die die Plasmatemperatur stabilisieren. Die natürliche Kühlung und die elektrischen Verluste des Plasmas werden auch durch Oberflächenrekombination und chemische Oxidation freier Radikale aus dem Dampf (z. B. das Gleichgewicht von CO ↔ CO₂, Hydroxyl- und -OH-Radikalen sowie Wasserdampf) kompensiert. Die Rekombination stabilisiert sich in diesem Temperaturbereich und ist heiß genug, um die Gase ionisiert zu halten, ohne jedoch eine thermische Explosion auszulösen. Eine ausreichende Luftfeuchtigkeit ist wichtig, da Wasserdampf -OH- (Hydroxyl-) und H⁺-Radikale zur Stabilisierung der Rekombination bei etwa 3000 Kelvin beiträgt.
Das Kohlendioxidmolekül zerfällt zunächst in Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Dieser Prozess verläuft besonders intensiv zwischen 2700 °C und 3700 °C (3000–4000 K). Bei der durchschnittlichen Temperatur des chinesischen Kugelblitzes von etwa 4000 °C war bereits ein erheblicher Teil des Kohlendioxids zersetzt. Da der Kugelblitz im chinesischen Spektrum durchschnittlich 4000 °C erreichte, dissoziierte das Kohlendioxid, der Prozess kam jedoch beim Kohlenmonoxidgas zum Stillstand. Die Instrumente konnten kein Kohlenstoff nachweisen, da keine freien, angeregten Kohlenstoffatome vorhanden waren, deren charakteristische Linien vom Spektrometer hätten aufgezeichnet werden können. Weder das Kohlenmonoxidgas noch das verbliebene Kohlendioxid weisen starke, helle Emissionslinien im von den Kameras erfassten Bereich von 400–1000 nm (sichtbares und nahinfrarotes Licht) auf. Der Kohlenstoff blieb daher chemisch in Gasmolekülen gebunden, während die Atome der aus dem Boden verdampfenden Metalle (Eisen, Silizium, Kalzium) vollständig frei waren und bei dieser Temperatur in ihrem atomaren Zustand leuchteten.
Dissoziation und Radikalbildung: Erreicht das System die selbstregulierende Gleichgewichtstemperatur bei 50 % Rekombination, verlangsamt sich die Dissoziation in der Gasphase und die Rekombinationsprozesse intensivieren sich. Die Rekombination von -OH-Radikalen untereinander sowie mit Sauerstoff und Wasserstoff setzt eine große exotherme Energie (Wärme) frei, die schnell rekombiniert. Dissoziation von Kohlendioxid mit steigender Temperatur: Bei ca. 2000 °C zersetzen sich 1–2 % der Moleküle, bei ca. 3000 °C erreicht der Dissoziationsgrad 40–50 %, und im Bereich zwischen 3200 °C und 3500 °C wird fast das gesamte Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff umgewandelt.
Kohlenmonoxid ist bei einer bestimmten Temperatur über einen längeren Zeitraum eine stabile Verbindung. Der Prozess ist nicht explosiv, sondern aufgrund der begrenzten Anzahl an Radikalen und der Oberflächeneigenschaften des Staubs eine kontrollierte und langsame Verbrennung. Das Plasma kühlt nicht sofort ab, sondern bleibt – abhängig vom Dichteunterschied zur umgebenden kalten Luft – einige Sekunden lang kontrolliert in der Luft schweben. Die Kohlenstoff- und Wasserdampfradikale verbrennen und gehen in den gasförmigen Zustand über, sobald die Verbrennung abgeschlossen ist. Die hochgeladenen Mineral- und Kohlenstoffkörner bilden das Yukawa-Gitter, welches die Oberflächenenergie und Leitfähigkeit des Plasmas bereitstellt. Die innere elektrische Kohäsion und die Oberflächenverbrennung der Radikale sorgen gemeinsam dafür, dass die Plasmakugel einige Sekunden, einige zehn Sekunden, bestehen bleibt und somit die Stabilität, das Schweben und die Lebensdauer des Kugelblitzes gewährleistet.
 
Die Kugelform ist eine Folge der Oberflächenenergie des Yukawa-Plasmas
Die mikroskopisch kleinen Aschepartikel (75–95 % nicht brennbare Mineralsilikate und Metalloxide), die beim Blitzeinschlag vom Boden verdampfen und in der Luft schweben, sammeln eine große negative Ladung an. Die Elektronen und Ionen im Plasma erzeugen eine Debye-Abschirmung um die Staubpartikel, wodurch die Coulomb-Kraft in ein Yukawa-Potential umgewandelt wird. Dies zwingt das Plasma in einen flüssigkeitsähnlichen, stark gekoppelten Zustand. Aufgrund der asymmetrischen Kräfte, die auf die Oberfläche wirken, entsteht eine Oberflächenspannung, die die Plasmamasse zur Minimierung der freien Energie in die kleinste geometrische Form mit einer Koerzitivfeldstärke zieht – eine stabile Kugel. Im resultierenden stark gekoppelten Yukawa-Staubplasma erzeugt die elektrische Abschirmung eine kollektive Oberflächenenergie, die ähnlich wie die Oberflächenspannung wirkt. Sie gleicht interne Störungen aus, hält die Struktur auch ohne externe elektrische Spannung elastisch zusammen und gewährleistet den Erhalt einer elastischen, nahezu kugelförmigen Gestalt trotz interner Strömungen und externer Störungen.
Die kollektive Oberflächenenergie verhält sich wie die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und hält die Struktur ohne externes elektrisches oder magnetisches Feld zusammen. Anders als bei klassischen Flüssigkeitstropfen, wo die Oberflächenspannung einen internen Überdruck erzeugt und somit kein Druckunterschied besteht, sind im Yukawa-System der interne und der externe Druck gleich. Die Oberflächenenergie führt zum Erhalt der elastischen Grenzflächenform. Die Oberflächenenergie minimiert die Oberfläche (daher die Kugelform) und gleicht Verformungen aus, die durch interne Gasströmungen oder externe elektrische/Windstörungen verursacht werden, was die Lebensdauer des Kugelblitzes erklärt. Aufgrund seiner Elastizität kann er – Beobachtungen zufolge – kleine Spalten und Löcher durchdringen; es gibt ein Beispiel dafür, wie er das dahinterliegende Glas schmolz und verschloss.
 
Probleme bei der Modellierung von Kugelblitzen
Wichtig ist, dass das Modell autonom ist, d. h. auch ohne externe elektrische und magnetische Felder funktioniert – es müssten sehr spezielle Felder angenommen werden, und tatsächlich gibt es kein geeignetes Feld außerhalb des zentralen Feldes – und dass es mit den Messergebnissen und Beobachtungen übereinstimmt. Kugelblitze können scheinbar grundlos entstehen: Sie können durch einen unsichtbaren Entladungsstreifen entzündet werden – der wiederum durch eine Koronaentladung verursacht werden kann. Ein wichtiges Merkmal ist, dass der entstehende Kugelblitz durch den Blitz bis zu einem Gleichgewichtszustand erhitzt wird. Für seine Levitation und Stabilität sind Kohlenstoff und eine kontrollierte Verbrennung erforderlich.
Zum Glück gibt es instrumentelle Beobachtungsmöglichkeiten [1]: Chinesische Forscher haben das Spektrum eines Kugelblitzes gemessen. In ihrer Studie berichten sie über optische und spektroskopische Messungen. Während der Beobachtung wurden Helligkeit, Farbe, Größe und Lebensdauer des Kugelblitzes sowie Spektrum und Intensität des emittierten Lichts aufgezeichnet. Die spektroskopische Untersuchung identifizierte Emissionslinien, die auf das Vorhandensein mehrerer chemischer Elemente hinweisen: Linien von Silizium (Si), Eisen (Fe), Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und Titan (Ti) traten auf. Besonders interessant ist, dass das Spektrum nicht nur Elemente aus der Luft, sondern auch Substanzen aus dem Boden nachweist. Dies stützt die Annahme, dass Blitze auch aus verdampften oder aus dem Boden atomisierten Materialien, wie beispielsweise Asche, entstehen können. Die Forscher schätzten die Farbtemperatur des Kugelblitzes auf durchschnittlich 4000 Kelvin. Die in der Literatur beschriebenen Modelle sind homogen, da sie auf den Eigenschaften einer einzigen Verbindung – z. B. Silizium – basieren. Das allgemeine Kugelblitzmodell muss alle in Linienblitzen beobachteten Verbindungen sowie die Aschebestandteile berücksichtigen, d. h. Modelle mit inhomogenen Materialien.
 
Schlussfolgerungen
Im Modell ist der Kugelblitz unabhängig von externen elektromagnetischen Feldern, und die inhomogene, schwebende Asche ist hinsichtlich ihres Materials unabhängig. Ihre Energieverluste werden durch chemische Verbrennungsprozesse ersetzt, wobei einige dieser Verbrennungsprozesse selbstregulierend sind. Yukawa-Staubplasma-Experimente sind heutzutage üblich; die Wirkung der Schwerkraft wird durch den Auftrieb elektrischer Felder ausgeglichen. Das Experiment kann an die Erhitzung von Kohlenstaub und schwebendem Aschestaub mit einer Zündmethode angepasst werden. Die künstliche Erzeugung von Kugelblitzen erscheint mit entsprechender Vorsicht möglich.
 
 
Literaturverzeichnis
[1] Cen, J., Yuan, P. & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical Review Letters, 112(3), Artikel 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001
Cen, Jianyong; Yuan, Ping; Xue, Simin (17. Januar 2014). „Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning“. Physical Review Letters 112(3) 035001. Bibcode:2014PhRvL.112c5001C. doi:10.1103/PhysRevLett.112.035001. PMID24484145
[2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10676954/, John Abrahamson & James Dinniss: Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature, Band 403, Ausgabe 6769, Seiten 519–521, 3. Februar 2000.
[3] Ich habe die Suchmaschine von Gemini AI anstelle von Google verwendet.
 
 

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Elmfeuer (Koronaentladung): Erreicht die Feldstärke beim Herannahen eines Gewitters einen kritischen Wert (ca. 100 kV/m), ionisiert sich die Luft an den Spitzen spitzer, hervorstehender Objekte (Schiffsmasten, Flugzeugflügel, Blitzableiter). Dabei entsteht eine kontinuierliche Koronaentladung mit bläulich-violettem Leuchten und zischendem Geräusch. Diese ist stabil und führt nicht zu einem Blitzschlag. Die Koronaentladung kann sich in einen Vorblitz umwandeln: Beginnt der Hauptblitzkanal (der sogenannte Stufenblitz) von der Gewitterwolke nach unten, steigt die elektrische Feldstärke in Bodennähe sprunghaft an. In diesem Moment wird die stabile Koronaentladung, die das Elmfeuer speist, instabil und wandelt sich in einen schnell wachsenden, nach oben gerichteten Plasmakanal um – einen Vorblitz. Umwandlung eines Elmsblitzes, der die Windschutzscheibe eines Flugzeugs durchdringt, in einen Blitzstreifen und einen Kugelblitz, Fachbeschreibung: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136468262100208X
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Gedankenexperiment: In Gegenwart ausreichend freier Elektronen werden 200 nm große, schwebende Kohlenstoff-, Ruß- und Flugaschepartikel mit Laserlicht entzündet. Das Yukawa-Staubplasma nimmt keine Kugelform an. Warum?
Die Lasererhitzung kann Strahlen und thermische Elektronenemission von den Kohlenstoffpartikeln verursachen (der glühende Kohlenstoff emittiert Elektronen). Dies verändert die Nettoladung der Partikel und das Potenzial des umgebenden Plasmas. Fließen lokale elektrische Ströme im Plasma (entweder aufgrund des Levitationsfeldes oder der Ladungstrennung durch die Erhitzung), beginnen Ionen zwischen den Partikeln zu fließen. Die strömenden Ionen ziehen die Staubpartikel mit sich. Aufgrund der hinter den Partikeln entstehenden positiven Ionenfahnen neigt die Staubwolke dazu, sich in vertikalen/gerichteten Strängen oder Ketten anstatt in einer Kugelform anzuordnen.
Wie lässt sich eine Kugelform (Gemini) erzwingen?
- Optische Pinzette: Anstelle eines einzelnen Laserstrahls sollten drei Paare senkrecht zueinander stehender, gegenläufiger Laserstrahlen (insgesamt sechs Strahlen) verwendet werden. Alternativ kann mit einem schnell scannenden Laser ein dreidimensionales optisches Potentialtal (eine Falle) erzeugt werden, das die Wolke gleichmäßig in alle Richtungen hält.
- Elektrostatische Quadrupolfalle (Paul-Falle): Wird ein sphärisch symmetrisches oder Quadrupol-Wechselstromfeld (HF-Feld) in die Plasmakammer eingeleitet, kann es die geladenen Nanopartikel zu einem zentralen Punkt lenken und so den verzerrenden Effekt der Gasströmung aufheben.
- Reduzierung der Laserintensität: Wird die Leuchtkraft gerade an der Nachweis-/Ionisationsgrenze gehalten, kann die verzerrende Gasströmung reduziert werden.
Das Experiment würde beweisen, dass:
– die Flugasche/der Kohlenstaub durch die Energie eines Strahls entzündet wird.
– das entstehende Staubplasma ein stark gekoppeltes Yukawa-System ist.
– die Yukawa-Wechselwirkung zu einem makroskopischen, stabilen, kugelförmigen Objekt und einer effektiven Oberflächenspannung führt.