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Blitz und Donner

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Team Digital
Blitz und Donner
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Grundlagen zum Thema Blitz und Donner

Gewitter – Physik

Besonders an warmen Sommertagen kommt es zum Abend hin häufig zu Gewittern. Doch wie entstehen Blitz und Donner? Und was genau ist ein Gewitter eigentlich? In diesem Text wird das Thema Gewitter aus der Physik auf einfache Weise erklärt.

Wie entstehen Blitze? – Physik

Der Blitz ist physikalisch gesehen ein kurzer, aber starker elektrischer Strom, der unterschiedliche elektrische Ladungen zwischen verschiedenen Wolken oder einer Wolke und der Erde ausgleicht. Blitze dauern weniger als eine Sekunde lang an. Sie besitzen dabei mittlere Stromstärken von $40\,000\,\pu{A}$. Die Ausdehnung von Blitzen variiert, beträgt jedoch meist $2$ bis $3\,\pu{km}$.

Blitze benötigen bestimmte Grundvoraussetzungen, um zu entstehen, weshalb sie besonders an heißen, schwülen Tagen auftreten. Dann steigt warme, feuchte Luft nach oben und kühlt sich dabei ab. Die kühlere Luft kann nicht mehr so viel Wasserdampf halten und so kondensiert dieser und es bilden sich Wassertropfen, aber auch Eiskristalle oder Hagelkörner. Durch verschiedene Wechselwirkungsprozesse, zum Beispiel Kollisionen zwischen den Eis- und Wasserteilchen, bekommen kleine Eisteilchen eine positive und große Niederschlagsteilchen eine negative Ladung. Die großen Niederschlagsteilchen sinken hinab, während die kleinen Eisteilchen durch Luftströmungen weiter aufsteigen. Somit entsteht im oberen Bereich der Wolke eine positive und im unteren Bereich eine negative Ladung. Es entsteht eine Ladungstrennung und somit ein Spannungsfeld innerhalb der Wolke sowie zwischen der Wolke und der Erdoberfläche.

Ist der Ladungsunterschied groß genug, so entsteht ein Blitz als Ladungsausgleich. Dieser Ladungsausgleich kann innerhalb der Wolke oder zwischen der Wolke und der Erdoberfläche stattfinden. Es entstehen während des Blitzes Temperaturen von bis zu $30\,000\,^\circ\pu{C}$. Es kommt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft um den Blitz herum. So entsteht das Geräusch, das wir Donner nennen.

Das Licht des Blitzes bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit $\left(300\,000\,\frac{\pu{km}}{\pu{s}}\right)$, wohingegen sich der Donner mit der viel langsameren Schallgeschwindigkeit $\left(340\,\frac{\pu{m}}{\pu{s}}\right)$ ausbreitet. Somit nehmen wir den Blitz meist lange vor dem Donner wahr. Umso näher wir uns am Ort des Blitzes befinden, desto kürzer ist der wahrgenommene Abstand zwischen Blitz und Donner.

Die meisten Blitze transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche. Diese Blitze werden negative Wolken-Erde-Blitze genannt. Es gibt jedoch auch positive Wolken-Erde-Blitze.

Was passiert bei einem Blitzeinschlag? – Physik

Ein Blitz schlägt auf der Erde vor allem in hohe Gegenstände wie Bäume oder hohe Dächer ein. An solchen exponierten Orten ist das elektrische Feld besonders stark. Die negativen Ladungsträger bewegen sich im sogenannten Leitblitz in Richtung Erde. Von der Erde aus kommt dem Leitblitz eine positive Ladung entgegen. Es kommt zu einer Entladung. Handelt es sich bei dem Gegenstand, in den der Blitz einschlägt, um einen Baum, so kann es passieren, dass ein Brand ausgelöst wird. Es kann jedoch auch nur zu kleineren Schäden am Baum kommen. Bei Gebäuden sorgen Blitzableiter dafür, dass größere Schäden verhindert werden.

Wie funktioniert ein Blitzableiter? – Physik

Bei einem Blitzableiter handelt es sich um einen dicken Kupferdraht an der Außenseite von Gebäuden. An seiner Spitze befindet sich ein zugespitzter Metallstab. Unter der Erdoberfläche ist er mit einer vergrabenen Bodenplatte verbunden. Die negative Ladung der Gewitterwolke sorgt für eine positive Ladung an der oberen Spitze des Blitzableiters, wodurch sich wiederum die Bodenplatte negativ auflädt. Kommt es zu einem Blitz in der Umgebung, so wird dieser von der positiv geladenen Spitze des Blitzableiters angezogen und durch den Kupferdraht in den Boden geleitet.

Warum ist man beim Gewitter im Auto sicher? – Physik

Der Physiker und Chemiker Michael Faraday aus England erkannte Anfang des 19. Jahrhunderts, dass ein Gehäuse aus Metall einen Blitz ableitet und nicht ins Innere weiterleitet. Autos und auch Flugzeuge verhalten sich bei Gewittern wie diese sogenannten faradayschen Käfige. Das gilt jedoch hauptsächlich für komplett geschlossene und stehende Autos. Ein offenes Fenster sowie die Elektronik im Auto können bei Gewittern eine Gefahr darstellen. Auch Piloten versuchen, so gut es geht, Gewitter zu meiden.

Wie entsteht ein Gewitter? – Kurzfassung

Besonders an warmen, feuchten Tagen entstehen Gewitter. Durch starke Reibungen zwischen den verschiedenen Teilchen in einer Wolke kommt es zu Ladungstrennungen. Der obere Teil der Wolke ist negativ geladen, während der untere eine positive Ladung aufweist. Ist der Ladungsunterschied groß genug, so kommt es zu einem Ladungsausgleich – der Blitz entsteht. Durch die explosionsartige Ausdehnung der Luft aufgrund der hohen Temperaturen rund um den Blitz kommt es zudem zum Donner. Da sich Licht und Schall verschieden schnell ausbreiten, nehmen wir den Blitz vor dem Donner wahr. Zusätzlich zum Text und dem Video findest du hier auf der Seite noch Übungen und Arbeitsblätter mit Aufgaben zum Thema Gewitter – Physik. Hierzu sollte ein Physikreferat also kein Problem sein!

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Blitz und Donner

Ein Einzelschicksal? Keineswegs. 1784 berichtet Johann Nepomuk Fischer davon, dass in nur dreiunddreißig Jahren EINHUNDERTDREI Glöckner durch Blitzschlag ums Leben kamen. Aber warum? Die erschütternde Wahrheit erfährst du in diesem Video: "Blitz und Donner". Am häufigsten sind Wärmegewitter: Die Sonne heizt die Luft auf und Wasser aus Pflanzen, Seen und Flüssen verdunstet. Die wärmere Luft steigt auf und wird dabei wieder abgekühlt, das Wasser kondensiert, es bilden sich Wassertröpfchen und Eiskristalle – eine Wolke wird sichtbar. DAS da ist der Tatort, für den wir uns in Sachen Blitz und Donner interessieren: ein Cumulonimbus, eine Gewitterwolke, die unter geeigneten Bedingungen aus solchen Wölkchen entsteht. Cumulus heißt "Haufen, Gipfel, Übermaß", nimbus "Wolke". Eine Überwolke sozusagen. Und sie heißt nicht ohne Grund so. Sie kann sich von ihrer Unterseite, die sich fünfhundert bis zweitausend Meter über dem Erdboden befindet, bis zu ELF Kilometer, in den Tropen noch mehr, nach oben auftürmen. In einer solchen Gewitterwolke herrschen extreme Windbedingungen, die dazu führen, dass große Ladungsunterschiede zwischen der Unterseite der Wolke und der Oberseite entstehen. Eiskristalle, Wassertröpfchen, Wassertropfen und Eisklumpen stoßen zusammen und tauschen dabei elektrische Ladungen aus; die leichten Eiskristalle und Wassertröpfchen verlieren dabei Elektronen und werden nach oben getragen, schwere Wassertropfen und Eisklumpen erhalten welche und sinken nach unten. Daher ist die Unterseite der Wolke meist negativ geladen und der obere Teil positiv. Aber, um ehrlich zu sein, sind die genauen Prozesse dieser Ladungstrennung noch gar nicht besonders gut erforscht und bekannt, auch weil es schwer ist, in einer Gewitterwolke Experimente durchzuführen. Der ursprünglich neutrale Erdboden unter der Wolke wird jedenfalls durch Ladungsverschiebung positiv geladen. Zwischen den verschiedenen Ladungszonen innerhalb der Wolke und zum Boden können nun Spannungen von bis zu EINHUNDERT MILLIONEN Volt herrschen. Die Funktion des Blitzes ist nun, die große Ladungsdifferenz schlagartig abzubauen! Man nennt dies eine Funkenentladung. Die Entladung erfolgt jeweils innerhalb weniger Sekundenbruchteile, die fließenden Ströme haben eine Stärke von bis zu dreißigtausend Ampere. Zum Vergleich: Bei dir zu Hause fliegt meistens die Sicherung, sobald auch nur kurzzeitig ein Strom von mickrigen sechzehn Ampere fließt. Ein Strom von fünfzig MILLIampere kann unter ungünstigen Umständen bereits tödlich sein. Neunzig Prozent aller Blitze geschehen innerhalb der Wolke, sind also sogenannte WOLKENBLITZE. Die übrigen zehn Prozent sind ERDblitze. Ist die elektrische Spannung zwischen Wolke und Erdboden groß genug, bewegen sich negative Ladungen in Richtung Erde und bilden dabei durch Ionisation (also indem sie Elektronen aus den Atomhüllen mitreißen) einen leitfähigen Kanal in der Luft, den sogenannten LEITBLITZ, der mit bloßem Auge kaum zu erkennen ist. Er bahnt dem eigentlichen Hauptblitz seinen Weg, inklusive der Verästelungen. Ist er dann dem Boden nah genug, fließen positive Ladungen vom Erdboden aus ihm entgegen und erzeugen damit auch einen leitfähigen Kanal. Diesen Vorgang nennt man "Fang-Entladung". Wenn sich Fangentladung und Leitblitz treffen, kommt es zum Ladungsausgleich und Spannungsabbau. Kurzzeitig fließt dann ein elektrischer Strom sehr hoher Stromstärke zwischen der Erde und der Wolke, die Hauptentladung. Der starke elektrische Strom heizt die umgebende Luft sehr schnell stark auf, auf bis zu dreißig Tausend Grad Celsius, sodass sie sich schlagartig ausdehnt. Das so erzeugte Geräusch ist der Donner. Solange der leitfähige Kanal noch besteht, kommt es nach einer kurzen Pause meist zu weiteren Entladungen. Vier bis fünf Entladungen bilden im Mittel einen Blitz. Durch die verschiedenen Hauptentladungen eines Blitzes kommt das Flackern zustande. Insbesondere auf hohen Gebäuden und Bergen kann der Leitblitz auch vom Boden ausgehen. Dies ist dann daran erkennbar, dass die Verzweigungen nach oben laufen. Selten und gefährlich sind die sogenannten POSITIVEN Erdblitze, bei denen die Entladung von der positiven OBERseite der Wolke zum Erdboden stattfindet. Sie machen zwar nur fünf Prozent aller Erdblitze aus, können aber bis zu "vierhunderttausend" Ampere erzeugen und haben eine extrem hohe Reichweite – sie können bis zu zehn Kilometer von der Gewitterwolke entfernt einschlagen. Sie entstehen gern an der Rückseite der abziehenden Wolke. Bisher ist es übrigens noch nicht gelungen, die bei einem Blitz freigesetzte Energie technisch zu nutzen oder zu speichern. Aber vermutlich haben wir die Entdeckung des Feuers einem Blitz zu verdanken. Und bevor hier der Blitz einschlägt, fassen wir zusammen. Blitze entstehen durch die räumliche Trennung elektrisch geladener Teilchen wie Wassertropfen, Eiskristallen oder Eisklumpen in den hohen Gewitterwolken. Dabei ist die Unterseite der Wolke meist negativ, die Oberseite der Wolke meist positiv geladen. Aufgrund von Ladungsverschiebung ist der Erdboden unter der Gewitterwolke positiv geladen. Neunzig Prozent aller Blitze geschehen innerhalb der Wolke. Bei Erdblitzen, also Blitzen von der Wolke zur Erde, entstehen zwei einander entgegenkommende, durch Ionisation leitfähig gewordene Kanäle: der sogenannte "Leitblitz" und die "Fangentladung". Wenn sie sich treffen, kommt es nacheinander zu mehreren Hauptentladungen, die den sichtbaren Blitz bilden. Besonders hohe Stromstärken und Reichweiten haben die seltenen "positiven Erdblitze", die von der positiv geladenen Oberseite der Wolke ausgehen. Und warum sind nun so viele GLÖCKNER gestorben? Na ja, Glockentürme waren meist die höchsten Gebäude ihrer Umgebung. Blitze schlagen bevorzugt in höher gelegene Orte ein, weil hier Leitkanal und Fangentladung einander schneller entgegenkommen können. Aber warum waren die Glöckner denn WÄHREND eines Gewitters überhaupt im Glockenturm? Man glaubte damals, mit Glockenläuten das Gewitter VERTREIBEN zu können. Ein gefährlicher Aberglaube. Zumindest für Glöckner.

Blitz und Donner Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Blitz und Donner kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne, warum Blitze bevorzugt in Glockentürme einschlagen.

    Tipps

    Die meisten Glockentürme konnte man damals von überall aus sehen.

    Auf hohen Gebäuden dienen metallische Spitzen oft der Blitzableitung.

    Blitze suchen häufig den höchsten Punkt in der Umgebung.

    Lösung

    Blitze schlagen häufig in hohe Gebäude ein, weil hier Leitkanal und Fangentladung einander schneller entgegenkommen können.

    Die metallischen Spitzen, die oft auf hohen Gebäuden zu finden sind, bieten einen günstigen Pfad für die Blitzableitung und minimieren potenzielle Schäden.

    Das Material oder die Bauweise ist dabei nicht auschlaggebend.


    • Glockentürme waren oft die höchsten Gebäude in der Umgebung.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.


    • Glockentürme waren meistens aus Holz gebaut.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Glockentürme waren besonders auffällig.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Glockentürme waren häufig die niedrigsten Gebäude in der Umgebung.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
  • Benenne die verschiedenen Arten von Blitzen.

    Tipps

    Wolkenblitze treten zwischen der Unter- und Oberseite der Wolke auf.

    Erdblitze können gefährlich sein, da sie Bäume und Gebäude treffen können.

    Die Blitzarten treten verschieden häufig zwischen den Wolken sowie zwischen Wolken und Erde auf.

    Der Leitblitz gibt den Pfad für einen Blitz vor.

    Ein positiver Erdblitz entsteht an der Rückseite der abziehenden Gewitterwolke und hat eine große Reichweite.

    Lösung

    Neunzig Prozent aller Blitze geschehen innerhalb der Wolke: die sogenannten Wolkenblitze.
    Bei Erdblitzen, also Blitzen von der Wolke zur Erde, entstehen zwei einander entgegenkommende und durch Ionisation leitfähig gewordene Kanäle.
    Negative Ladungen bewegen sich in Richtung Erde und bilden dabei durch Ionisation einen leitfähigen Kanal in der Luft: den sogenannten Leitblitz. Er bahnt dem eigentlichen Hauptblitz seinen Weg, inklusive der Verästelungen.
    Selten und gefährlich sind die sogenannten positiven Erdblitze, bei denen die Entladung von der positiven Oberseite der Wolke zum Erdboden stattfindet.


    Folgende Arten von Blitzen und Beschreibungen gehören demnach zusammen:

    • Wolkenblitz: Diese Art von Blitz geschieht in der Gewitterwolke selbst und macht 90 Prozent aller Blitze aus.
    • Erdblitz: Dieser Blitz schießt von der Wolke zum Erdboden.
    • Leitblitz: Diese Form von Blitz sind bewegte Ladungen in Richtung Erde, die einen Kanal in der Luft bilden.
    • Positiver Erdblitz: Diese Blitzart ist selten und gefährlich. Sie geht von der positiven Oberseite der Wolke aus und hat eine hohe Reichweite.

  • Formuliere eine mögliche Ursache für die Ladungstrennung in Gewitterwolken.

    Tipps

    Die Ladungstrennung entsteht innerhalb der Gewitterwolke.

    Unterschiedliche Teilchen in der Wolke können unterschiedliche Ladungen haben.

    Die Bewegung und der Kontakt der Teilchen führt schließlich zur Ladungstrennung.

    Lösung

    Gewitter sind faszinierende Naturphänomene, die häufig von eindrucksvollen Blitzen und Donner begleitet werden. Blitze entstehen, wenn Ladungsunterschiede ausgeglichen werden, was durch eine sogenannte Ladungstrennung passiert. Eine mögliche Ursache zur Entstehung solcher Ladungstrennungen in Gewitterwolken bietet die folgende Erklärung:

    Inmitten einer Gewitterwolke herrschen intensive atmosphärische Bedingungen, die zu erheblichen Ladungsunterschieden zwischen ihrer Unterseite und ihrer Oberseite führen. In dieser Umgebung stoßen Eiskristalle und Wassertröpfchen zusammen und tauschen elektrische Ladungen aus. Leichte Eiskristalle und Wassertröpfchen verlieren dabei Elektronen und werden nach oben getragen, während schwere Wassertropfen und Eisklumpen Elektronen aufnehmen und nach unten sinken.

  • Beschreibe die Entstehung von Blitzen und Donner.

    Tipps

    Eine hohe elektrische Spannung zwischen Wolke und Erdboden führt zur Bildung des Leitblitzes.

    Der Leitblitz ebnet den Weg für den Hauptblitz und die Fangentladung ermöglicht einen Ladungsausgleich.

    Während der Hauptentladung fließt ein starker elektrischer Strom zwischen Wolke und Erde. Dabei wird die Luft aufgeheizt und der Donner erzeugt.

    Lösung

    Inmitten von Gewitterwolken entstehen Blitze. In diesen dichten Wolken bauen sich elektrische Ladungsunterschiede auf und führen zu Entladungen in Form von Blitzen und Donnern. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte, die in der folgenden Reihenfolge stattfinden:


    1. Blitz und Donner entstehen in Gewitterwolken und hauptsächlich in Cumulonimbus-Wolken.

    2. Es gibt Ladungsunterschiede zwischen der Unterseite (meist negativ geladen) und der Oberseite (meist positiv geladen) der Wolke.

    3. Es bildet sich ein unsichtbarer leitfähiger Kanal in der Luft, der als Leitblitz bezeichnet wird.

    4. Der Leitblitz bahnt den Weg für den Hauptblitz und führt zur Funkenentladung.

    5. Kommt der Leitblitz dem Boden nahe genug, fließen positive Ladungen vom Boden entgegen, was als Fangentladung bezeichnet wird.

    6. Die darauffolgende Hauptentladung führt zu einem starken elektrischen Stromfluss zwischen der Erde und der Wolke.

    7. Diese starke Erwärmung verursacht die schlagartige Ausdehnung der Luft und erzeugt das Geräusch des Donners.

  • Gib eine einfache Definition einer Gewitterwolke an.

    Tipps

    Die Gewitterwolke ist eine Ansammlung von Wölkchen.

    Unter bestimmten Bedingungen türmen sich die Wolken auf.

    Eine aufgetürmte Wolke namens Cumulonimbus entsteht. Sie wird auch als Überwolke bezeichnet.

    Lösung

    Eine Gewitterwolke, auch Cumulonimbus genannt, ist eine große und hoch aufragende Wolkenformation.

    Sie entsteht durch aufsteigende warme, feuchte Luft, die kondensiert.

    „Cumulus“ heißt „Haufen, Gipfel, Übermaß“ und „nimbus“ heißt „Wolke“, vereinfacht also sozusagen eine Überwolke.


    • Eine Gewitterwolke ist eine Wolkenformation namens Cumulonimbus.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.


    • Eine Gewitterwolke ist eine Wolke, die den Himmel sonnig macht.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Eine Gewitterwolke leuchtet nachts.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Eine Gewitterwolke bringt Schnee und Regen.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
  • Begründe das Phänomen des elektrostatischen Schlags.

    Tipps

    Ein elektrostatischer Schlag tritt im Zusammenhang mit der Übertragung von Elektronen von einem Objekt auf ein anderes auf.

    Die Luftfeuchtigkeit und die Feuchtigkeit haben an Oberflächen im Allgemeinen keinen Einfluss auf das Auftreten eines elektrostatischen Schlags.

    Ein elektrostatischer Schlag ist nicht auf das Berühren von Metallgegenständen beschränkt, sondern wird durch die Ansammlung von Elektronen und die Entladung zwischen Objekten verursacht.

    Lösung

    Ein elektrostatischer Schlag tritt auf, wenn Elektronen durch Reibung übertragen werden. Dadurch werden die Ladungen getrennt. Wenn eine Person oder ein anderes Objekt dieses aufgeladene Objekt berührt oder sich ihm nähert, dann fließt ein Strom und die Elektronen bewegen sich, um den Ladungsunterschied auszugleichen. Dies führt zu einem plötzlichen Funken oder Schlag. Dieser elektrische Schlag kann unangenehm sein, ist aber normalerweise harmlos. Er tritt häufig auf, wenn die Luft trocken ist und die Umgebung wenig Feuchtigkeit enthält.


    • Ein elektrostatischer Schlag erfolgt, wenn eine Entladung stattfindet.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.
    • Ein elektrostatischer Schlag tritt auf, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist und die Oberflächen feucht sind.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
    • Ein elektrostatischer Schlag tritt nur auf, wenn Metallgegenstände berührt werden.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
    • Ein elektrostatischer Schlag wird durch statische Elektrizität, die in beweglichen Gegenständen entsteht, verursacht.
    $\quad \Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.