EIN BLITZ IST EINE ENTLADUNG MIT NEGATIVEM ELEKTRISCHEM WIDERSTAND
(November 2024)
Die Blitze, die Gewitter charakterisieren, werden durch gefrorene und unterkühlte flüssige Niederschlagsteilchen in den hoch gelegenen Gewitterwolken erzeugt (siehe R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, Modern Physics, Bd. 5, S. 120. Technische Verlage, 1969. ETO 53 „19“ (082), wo die Autoren die Physik des Blitzes im Kapitel „Atmospheric Electricity“ zusammenfassen). Die starke Aufwärtsströmung bewirkt, dass Wassertröpfchen oberhalb einer Temperatur von etwa -7 °C zu unterkühlten Tröpfchen und dann bei etwa -20 °C zu negativ geladenen Eisteilchen werden. Je nach Temperaturverteilung gefrieren die Tröpfchen zuerst an der äußeren Oberfläche und dann im Inneren. Die Ionen in der Wolke (hauptsächlich H+ und OH- sowie Elektronen aus dem Wasser) bilden je nach Temperaturverteilung Domänen. Oberhalb von etwa -20 °C werden überwiegend positive Ionen gebildet, unterhalb von -20 °C negative Ionen. Die Spitzen der Gewitterwolken werden durch gefrorene Eispartikel gebildet. Die Ionen stammen aus Luftverschmutzung, Reibung, solarer UV-Strahlung, kosmischer Strahlung, Radioaktivität...
Die empirische Verteilung der Ladungen in den Bereichen der Gewitterwolke: positive Ladungen überwiegen an der Spitze der Wolke und negative Ladungen an der Unterseite, was wahrscheinlich durch die 5,5-mal größere Mobilität der Elektronen erklärt wird. Häufig entsteht auch im untersten Teil der Wolke, an der Schnittstelle von Auf- und Abströmung, ein positiv geladener Bereich.
Die empirische Verteilung der Ladungen in den Bereichen der Gewitterwolke: positive Ladungen überwiegen an der Spitze der Wolke und negative Ladungen an der Unterseite, was wahrscheinlich durch die 5,5-mal größere Mobilität der Elektronen erklärt wird. Häufig entsteht auch im untersten Teil der Wolke, an der Schnittstelle von Auf- und Abströmung, ein positiv geladener Bereich.
Ladungsverteilung in Gewitterwolken
(https://www.researchgate.net/figure/Electric-charges-in-a-cumulonimbus-cloud-and-Intra-cloud-inter-cloud-cloud-to-ground_fig2_266289213)
(https://www.researchgate.net/figure/Electric-charges-in-a-cumulonimbus-cloud-and-Intra-cloud-inter-cloud-cloud-to-ground_fig2_266289213)
Spannungsunterschiede können innerhalb einer Wolke, zwischen einer Wolke und der Erde oder zwischen zwei Wolken auftreten, so dass Blitze sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung erzeugt werden können. Der Blitz bewegt sich in einem Blitzkanal mit einem Durchmesser von ein oder zwei Millimetern bis zu einigen Zentimetern in die Wolke hinein und aus ihr heraus und auf den Boden oder auf Landobjekte zu, wobei Elektronen aus der Wolke und positive Ionen aus dem Bodenobjekt zueinander fließen. Es gibt auch Sonderfälle.
Vorentladung mit grünem Glühen (Aufwärts gerichteter Streamer, der von der Oberseite einer Poolabdeckung ausgeht,
https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
Die weiße Vorentladung, die aus der Wolke austritt, folgt einer zackigen Bahn in Richtung Erde, wobei sie mehrmals kurzzeitig stoppt und sich verzweigt, wobei ihre Form von der örtlichen Leitfähigkeit bestimmt wird. Während sie sich der Erdoberfläche nähert, steigen positive, farbige Gegenentladungen (Koronaentladung, Ionenlawine, Townsend-Lawine, Plasmaentladung, Elmsfeuer, Glut, kaltes Plasma) von Objekten oder dem Boden zu ihr auf. Die farbigen Gegenentladungen treffen nicht immer auf die darüber liegende, elektronenbildende Hauptentladung. Wenn eine Gegenentladung auf den Vordergrund trifft, bildet sich ein kontinuierlicher Kanal zwischen der Wolke und dem Boden. Der Ionenkanal initiiert eine schnelle, helle Hauptentladung oberhalb der Durchbruchspannung der Luft. Wenn sich die Entladung in Bodennähe verzweigt, kann sich an jedem Zweig ein Hauptschauer bilden. Die Stromstärke beträgt in der Regel 20-30 000 Ampere, kann aber in Ausnahmefällen auch 300 000 Ampere übersteigen. Die Geschwindigkeit der Blitze beträgt ca. 60 km/sec und die Geschwindigkeit der Hauptblitze kann bis zu 180 km/sec betragen. Wenn ein Ionenkanal (dunkler Blitz) entsteht, bilden sich neue Blitze auf den Trümmern, die nach dem Blitzschlag im Kanal zurückbleiben. Die Temperatur des Blitzes kann 30.000 Kelvin erreichen, und die Dauer des Hauptblitzes liegt in der Größenordnung von Zehntelsekunden.
Interessante Fakten:
Der Blitz besteht aus sichtbarem und UV-Licht, aber bei hohen Strömen kann er auch Gammastrahlen erzeugen und auf Radiofrequenzen strahlen.
Wenn ein Blitz in sandigen Boden einschlägt, bildet er eine glasartige Substanz namens Fulgurit.
Im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutet der Begriff „trockener Blitz“, dass es nicht regnet, wenn der Blitz einschlägt, d. h. der aus der Wolke fallende Niederschlag erreicht nicht den Boden, sondern der Blitz schlägt in sein entgegenkommendes Gegenstück ein. In trockenen Wäldern und Dickichten verursachen trockene Blitze viele Waldbrände (https://www.kfki.hu/elftkisk/63_Anket/Tasnadi_Peter.pdf).
Dunkler Blitz (R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, S. 134): Nach einem Blitzschlag bleiben viele Trümmer und Ionen im Kanal zurück, der nächste Blitz geht gerade durch den alten „dunklen“ Kanal ohne Zickzack.
Blitze (auch Kugelblitze) haben einen schwefeligen, lachgasartigen Geruch
Atmosphärenforscher haben herausgefunden, dass Blitze und unsichtbare Entladungen, die für die Kamera oder das bloße Auge unsichtbar sind, große Mengen an Hydroxylradikalen.
(OH) und Hydroperoxylradikalen (HO2), die eine wichtige Rolle beim Abbau von Luftverschmutzung spielen.
Der Blitz besteht aus sichtbarem und UV-Licht, aber bei hohen Strömen kann er auch Gammastrahlen erzeugen und auf Radiofrequenzen strahlen.
Wenn ein Blitz in sandigen Boden einschlägt, bildet er eine glasartige Substanz namens Fulgurit.
Im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutet der Begriff „trockener Blitz“, dass es nicht regnet, wenn der Blitz einschlägt, d. h. der aus der Wolke fallende Niederschlag erreicht nicht den Boden, sondern der Blitz schlägt in sein entgegenkommendes Gegenstück ein. In trockenen Wäldern und Dickichten verursachen trockene Blitze viele Waldbrände (https://www.kfki.hu/elftkisk/63_Anket/Tasnadi_Peter.pdf).
Dunkler Blitz (R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, S. 134): Nach einem Blitzschlag bleiben viele Trümmer und Ionen im Kanal zurück, der nächste Blitz geht gerade durch den alten „dunklen“ Kanal ohne Zickzack.
Blitze (auch Kugelblitze) haben einen schwefeligen, lachgasartigen Geruch
Atmosphärenforscher haben herausgefunden, dass Blitze und unsichtbare Entladungen, die für die Kamera oder das bloße Auge unsichtbar sind, große Mengen an Hydroxylradikalen.
(OH) und Hydroperoxylradikalen (HO2), die eine wichtige Rolle beim Abbau von Luftverschmutzung spielen.
DER BLITZ IST EINE ENTLADUNG MIT NEGATIVEM WIDERSTAND
Dielektrische Stärke der Luft größer als 2 x106 V/m. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes bleiben Elektronen mit einer Energie von 1 MeV einige Meter entfernt stehen, beschleunigen darüber und verursachen Elektronenlawinen (R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, 133. o), pamatische Entladungen, Koronaentladungen (auch als Glutentladungen, pamatische Entladungen, Ionenlawine, Townsend-Lawine, Elmsfeuer, kaltes Plasma übersetzt), die von der Erdoberfläche aus farbige positive Ionenkanäle bilden, die niemals die Wolken erreichen. Von den Wolken aus werden Elektronenkanäle oberhalb der Durchbruchsspannung der Luft (≈ 21 kV/cm) gestartet, und wenn sie am Boden auf einen positiven Ionenkanal treffen, entsteht eine Bogenentladung, der Blitz. Im Labor erzeugte Bogenentladungen zeichnen sich durch einen negativen (differentiellen) Widerstand aus (https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistance): Der Entladungsstrom nimmt zu, während die Spannung, die die Entladung erzeugt, abnimmt. Der Strom wird nur durch die Erhaltungssätze begrenzt.
Entladungsspannung sinkt → Strom und Temperatur steigen → Ionisierungsgrad steigt
Negativer Widerstand oder negativer Differenzwiderstand bezieht sich auf einen Strombereich, in dem die Spannung umso niedriger ist, je höher der Strom ist. Nach dem Ohm'schen Gesetz ist der elektrische Widerstand das Verhältnis von Spannung und Stromstärke. Der Grundsatz der Energieerhaltung schließt die Existenz eines absolut negativen Widerstands aus, weshalb solche Geräte und Phänomene nur durch die Absorption externer Energie funktionieren, z. B. Leuchtstoffröhren:
Spannungs-Strom-Kennlinien der elektrischen Entladung (in Neon bei 1 Torr, mit zwei ebenen Elektroden im Abstand von 50 cm).
(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
A: Zufallsimpulse durch kosmische Strahlung
B: Sättigungsstrom
C: Townsend-Lawinenentladung
D: selbsterhaltende Townsend-Entladung
E: instabiler Bereich: Koronaentladung (wenn die Spannung sinkt, steigt der Strom!)
F: subnormale Glimmentladung
G: normale Glimmentladung
H: anormale Glimmentladung
I: instabiler Bereich: Glühlichtbogen-Übergang
J: Lichtbogen (wenn die Spannung sinkt, steigt der Strom an!)
K: Lichtbogen
(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
A: Zufallsimpulse durch kosmische Strahlung
B: Sättigungsstrom
C: Townsend-Lawinenentladung
D: selbsterhaltende Townsend-Entladung
E: instabiler Bereich: Koronaentladung (wenn die Spannung sinkt, steigt der Strom!)
F: subnormale Glimmentladung
G: normale Glimmentladung
H: anormale Glimmentladung
I: instabiler Bereich: Glühlichtbogen-Übergang
J: Lichtbogen (wenn die Spannung sinkt, steigt der Strom an!)
K: Lichtbogen
Der Bereich A-D wird als Dunkelentladung bezeichnet; es findet eine gewisse Ionisierung statt, aber der Strom liegt unter 10 Mikroampere und es wird keine nennenswerte Strahlung erzeugt.
Der Bereich F-H ist eine Glimmentladung; das Plasma strahlt ein schwaches Glühen aus, das fast das gesamte Volumen der Röhre einnimmt; das meiste Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert.
Der Bereich I-K ist ein Bereich der Bogenentladung; das Plasma konzentriert sich in einem schmalen Kanal in der Mitte der Röhre;
es wird eine große Menge an Strahlung erzeugt. (https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
Der Bereich F-H ist eine Glimmentladung; das Plasma strahlt ein schwaches Glühen aus, das fast das gesamte Volumen der Röhre einnimmt; das meiste Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert.
Der Bereich I-K ist ein Bereich der Bogenentladung; das Plasma konzentriert sich in einem schmalen Kanal in der Mitte der Röhre;
es wird eine große Menge an Strahlung erzeugt. (https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
SCHLUSSFOLGERUNG: Bei Blitzen ist die Glimmentladung mit dem Farbblitz von der Oberfläche, d. h. der Elektronenlawinenionisation, verbunden. Die Bogenentladung steht im Zusammenhang mit dem Elektronenfluss aus den Wolken, der thermischen Emission oberhalb der Durchbruchspannung.
Eine interessante Tatsache: Vielleicht lässt sich eine Erklärung auch für kugelförmige Blitze (https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi) finden. Wenn ein farbiger Vorblitz von der Erdoberfläche nicht auf einen oberen Blitz trifft und die atmosphärische Spannung hoch genug ist, kommt es selbst bei einem farbigen Vorblitz von der Erdoberfläche nur selten zu thermischer Emission (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization). Wenn die Plasmaröhre abkühlt, trennt sie sich von der Erdoberfläche, und durch Wärmeleitung und Strahlungsverluste rekombinieren die noch heißen Ionen auf ihrer Oberfläche. Würden sich die rekombinierten Moleküle von der Oberfläche wegbewegen, entstünde ein Druckdefizit im Plasma, so dass es keinen Ausfluss und keine konvektive Abkühlung gibt und die Röhre eine kugelförmige Gestalt annimmt. Wir gehen also nicht von einem kohäsiven Kraftfeld aus, sondern der Zustrom rekombinierender Teilchen von der Mittellinie und dann vom Mittelpunkt aus aufgrund der abnehmenden Temperatur (dem Temperaturgradienten) hält die Kugel zusammen.