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Entstehung von Gewittern

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Team Entdeckungsreise
Entstehung von Gewittern
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Grundlagen zum Thema Entstehung von Gewittern

Inhalt

Was ist ein Gewitter?

Bei Gewittern handelt es sich um ein physikalisches Urphänomen. Sie sind sichtbar gewordene elektrische Entladungen zwischen Wolken und der Erde. Dies soll Benjamin Franklin 1752 in der Nähe von Philadelphia mit einem physikalischen Experiment bewiesen haben. Hierbei stand er bei einem Gewitter unter einem Vordach und ließ einen Drachen steigen, an dessen Spitze eine kleine Antenne aus Metalldraht nach oben ragte. An der Leine des Drachens ist ein Schlüssel befestigt und ein seidener Faden, mit dem Franklin den Drachen steuerte. Als ein Blitz in die Antenne einschlug, sprangen Funken aus dem Schlüssel.

Gewitter sind sichtbar gewordene elektrische Entladungen zwischen Wolken und der Erde. Sie sind Urphänomene.

Wie entsteht ein Gewitter?

Wie entsteht ein Gewitter? Kindgerecht erklärt beruhen Gewitter vermutlich auf dem Aufsteigen feuchter und warmer Luftmassen. Durch starke Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Erdoberfläche, wodurch große Mengen an Wasser, beispielsweise an Seen, verdunsten. Aus dem flüssigen Wasser wird hierbei also Wasserdampf. Die Luft besitzt nun mehr Wasserdampf, dehnt sich aus und steigt dadurch nach oben auf. In steigender Höhe kühlt diese feuchte und warme Luft anschließend nach und nach wieder ab.

Kalte Luft kann jedoch nicht so viel Wasserdampf aufnehmen wie warme Luft. Aus dem überschüssigen Wasserdampf entstehen viele kleine Wassertröpfchen, die zusammen eine Wolke bilden. Hierbei wird Energie in Form von Wärme freigesetzt und die Wolke steigt weiter nach oben, wo die Wassertröpfchen durch die kalte Umgebungsluft zu gefrieren beginnen. Es entstehen leichte Eisteilchen. Die leichten Eisteilchen gelangen durch starke Aufwinde in der Wolke nach oben. Die schweren Wassertröpfchen fallen jedoch nach unten.

Kommt es zur Kollision (Aufprall) zwischen Wassertröpfchen und Eisteilchen tritt Reibung auf. Hierbei laden sich die Eisteilchen positiv auf, die Wassertröpfchen hingegen negativ. Es entsteht also ein elektrisches Feld mit einem Pluspol am oberen Ende der Wolke und einem Minuspol am unteren Ende. Das Ergebnis ist eine Gewitterwolke , die sich mit einer riesigen Batterie vergleichen lässt. Sie schwebt über der positiv geladenen Erdoberfläche. Diese Batterie, also die Gewitterwolke, erzeugt zwei elektrische Felder:
Das erste innerhalb der Wolke und eines zwischen Wolke und Erdoberfläche. Dies lässt sich auch in der folgenden Abbildung erkennen. Durch die Reibung zwischen Eisteilchen und Wassertröpfchen steigt die Spannung zwischen den beiden elektrischen Feldern weiter an.

Entstehung von Gewitter

Gewitter sind die Folge von aufsteigenden, feuchtwarmen Luftmassen.

Wie entsteht ein Blitz?
Ist die beschriebene Spannung sehr groß, kann sich die elektrische Ladung in Form eines Blitzes über die Wolkenluft ausgleichen. Solche Blitze können wir von der Erde aus meist gar nicht sehen. Die Blitze, die wir sehen, sind der Spannungsausgleich zwischen Wolke und Erde. Dabei jagt erst ein Leitblitz in Richtung Erde. Durch ihn wird ein Kanal erzeugt, in dem dann der eigentliche Blitz, der Hauptblitz, den Spannungsunterschied zwischen Wolke und Erde abbaut.

Blitze sind elektrische Ladungen, die über Wolkenluft ausgeglichen wird.

Wie entsteht Donner?
Durch die Blitze kommt auch das bekannteste Gewitterphänomen zustande, der Donner. Der Hauptblitz produziert im Blitzkanal eine Temperatur von bis zu 30.000 °C. Dies führt dazu, dass sich die Umgebungsluft explosionsartig ausdehnt und Schallwellen entstehen. Der Donner pflanzt sich in Schallgeschwindigkeit fort. Blitz und Donner entstehen also gleichzeitig. Jedoch nehmen wir sie beide versetzt voneinander war. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich der Blitz mit Lichtgeschwindigkeit in Richtung Erdoberfläche bewegt und der Donner mit der langsameren Schallgeschwindigkeit folgt.
Hierdurch können wir auch berechnen, wie die Gewitterentfernung vom eigenen Standort ist. Dazu werden die Sekunden zwischen Blitz und Donner gezählt und durch drei geteilt. Das Ergebnis gibt die Entfernung des Gewitters in Kilometern an. Beispiel: Liegen zwischen Blitz und Donner sechs Sekunden, so ist das Gewitter zwei Kilometer entfernt.

Bei Unwetter treten häufig Regen, Gewitter und Hagel auf. Kommen mehrere Gewitterwolken bzw. Gewitterzellen zusammen, so spricht man von einer Superzelle.

Donner sind Schallwellen, die durch die explosionsartige Ausdehnung der Umgebungsluft entstehen.

Erforschung

Heutzutage wird weiterhin über die Entstehung von Gewittern geforscht, wobei Radioteleskope helfen. Obwohl Franklin vieles noch nicht erklären konnte, entwickelte er mit seinem Versuch eine sehr wichtige Erfindung, die noch heute genutzt wird, den Blitzableiter. Dieser ist eine Metallstange, die außen an Häusern angebracht wird und einen einschlagenden Blitz in den Boden ableitet.

Was ist eine Superzelle?
Was sind Blitzableiter?
Zusammenfassung Gewitter
Definition elektrische Entladung zwischen Wolken und Erde
Erste Erforschung 1752 durch Benjamin Franklin
Blitz Funkentladung zwischen Wolken und Erde in Lichtgeschwindigkeit
Donner Schallentstehung durch explosionsartige Ausdehnung der Luft, Bewegung in Schallgeschwindigkeit
Berechnung der Entfernung zum Gewitter in km Sekundenanzahl zwischen Blitz und Donner : 3

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gewitter

Wie entsteht ein Gewitter mit Blitz und Donner?
Wie entsteht ein Blitz (kurz erklärt)?
Was sind Wetterleuchten?
Wie kann man die Entfernung eines Gewitters berechnen?
Wie heiß können Blitze werden?

Transkript Entstehung von Gewittern

Thema dieses Films ist die Entstehung von Gewittern. Eines der bekanntesten physikalischen Experimente soll 1752 in der Nähe der amerikanischen Stadt Philadelphia stattgefunden haben. Mitten in einem Gewitter steht der Wissenschaftler Benjamin Franklin unter einem Vordach und lässt einen Drachen steigen. An der Spitze des Drachens ragt eine kleine Antenne aus Metalldraht nach oben. An der Drachenleine ist ein Schlüssel und daran ein Faden aus Seide befestigt, mit dem Franklin sein Fluggerät steuert. Als ein Blitz in die Metallantenne einschlägt, berichtet Franklin, springen Funken aus dem Schlüssel, der in der Nähe der Erde baumelt. Während die meisten seiner Zeitgenossen Gewitter noch als Strafen einer höheren Gewalt ansehen, liefert Franklin mit seinem Experiment eine physikalische Erklärung für das Naturphänomen. Gewitter seien nichts anderes als elektrische Entladungen zwischen Wolken und Erde. Wie diese sichtbar gewordene Elektrizität entsteht, konnte Franklin noch nicht erklären, doch selbst heute ist sich die Wissenschaft noch nicht einig darüber, wie ein Gewitter entsteht. Die gängigste Erklärung basiert auf dem Aufsteigen feuchtwarmer Luftmassen, wie sie sich in Deutschland etwa im Sommer bilden. Denn wenn sich die Erdoberfläche durch die Sonneneinstrahlung stark erwärmt, verdunsten, etwa an Seen, auch große Mengen an Wasser. Dem flüssigen Wasser wird Energie hinzugefügt und es entsteht gasförmiger Wasserdampf. Die mit Wasserdampf beladene warme Luft dehnt sich aus und steigt in der Folge nach oben. Mit zunehmender Höhe kühlt die feuchtwarme Luft dann wieder ab. Da kalte Luft aber viel weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme, entstehen aus dem überschüssigen Wasserdampf nun viele kleine Wassertröpfchen. Die Ansammlung aus Minitropfen ist nichts anderes als eine Wolke. Diesen Vorgang, also das Gegenteil der Verdunstung, nennt man Kondensation. Dabei wird auch die für den Verdunstungsprozess aufgewendete Energie als Wärme wieder freigesetzt. Dadurch erwärmt sich die Wolke nun gegenüber der Umgebungsluft und steigt so weiter nach oben. Sie kann so große Höhen erreichen, dass einzelne Wassertropfen in der kalten Umgebungsluft zu gefrieren beginnen. Diese leichten Eisteilchen werden von starken Aufwinden in der Wolke nach oben geblasen, während die schwereren Wassertröpfchen nach unten fallen. Kollidieren beide, tritt Reibung auf. Dadurch laden sich die Eisteilchen positiv und die Wassertröpfchen negativ auf. Nach und nach entsteht so ein elektrisches Feld mit einem Pluspol am oberen Ende und einem Minuspol am unteren Ende der Wolke. Die entstandene Gewitterwolke ist damit so etwas wie eine riesige Batterie, die über der positiv geladenen Erdoberfläche schwebt. Diese Batterie erzeugt zwei elektrische Felder: eines innerhalb der Wolke und eines zwischen Wolke und Erdoberfläche. Durch die Reibung zwischen Eisteilchen und Wassertröpfchen steigt die Spannung der beiden elektrischen Felder beständig an. Ist die Spannung innerhalb der Wolke groß genug, können sich die elektrischen Ladungen in Form eines Blitzes über die Wolkenluft ausgleichen. Solche Blitze innerhalb der Wolke sind der Normalfall, den man von der Erde aus meistens gar nicht sieht. Der Spannungsausgleich zwischen Wolke und Erde in Form eines Blitzes ist viel seltener. Dabei jagt zunächst ein sogenannter Leitblitz in Richtung Erde. Dieser erzeugt einen Kanal, in dem dann der Hauptblitz den Spannungsunterschied zwischen Wolke und Erde aufbaut. Die Blitze bewirken auch das lauteste Gewitterphänomen, den Donner. Der Hauptblitz erzeugt im Blitzkanal Temperaturen von bis zu 30.000 Grad Celsius. Dadurch dehnt sich die Umgebungsluft schlagartig aus und Schallwellen pflanzen sich in alle Richtungen fort. Obwohl Blitz und Donner also zur gleichen Zeit entstehen, nehmen wir beide Phänomene zeitversetzt wahr. Das liegt daran, dass sich das Licht des Blitzes mit Lichtgeschwindigkeit auf uns zu bewegt, dem der Schall des Donners wesentlich langsamer nachfolgt. Auf Basis der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Licht und Schall kann man auch berechnen, wie weit ein Gewitter noch vom eigenen Standort entfernt ist. Dazu muss man nur die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählen und das Ergebnis durch drei teilen. Das ergibt dann die Entfernung des Gewitters in Kilometern. Bei drei Sekunden Versatz zwischen Blitz und Donner ist das Gewitter also noch etwa einen Kilometer weit weg. Ob aber die vorgestellte Theorie zur Entstehung von Gewittern tatsächlich genau stimmt, muss die Wissenschaft, etwa mithilfe neuer Radioteleskope, noch beweisen. Im Vergleich dazu waren die technischen Möglichkeiten von Benjamin Franklin noch sehr eingeschränkt und vor allem auch lebensgefährlich. Trotzdem ermöglichten sie ihm eine der wichtigsten Erfindungen der Zeit. Der von Franklin entwickelte Blitzableiter ist eine geerdete Metallstange, die außen an Häusern angebracht wird und einen einschlagenden Blitz in den Boden ableitet. So kann man dank Franklin heute entspannt aus dem Fenster gucken, während draußen scheinbar die Welt untergeht.

Entstehung von Gewittern Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Entstehung von Gewittern kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib eine einfache Definition für das Naturphänomen Gewitter an.

    Tipps

    Das Grundprinzip eines Gewitters ist, dass durch Reibung in der Luft Ladung entsteht.

    Lösung

    Insbesondere an feuchtwarmen Tagen in Deutschland entstehen Gewitter. Die Gewitterentstehung beginnt mit der Verdunstung großer Mengen Wasser an der Erdoberfläche, die sich zu Wolken formen.

    In den Wolken reiben Eisteilchen und Wassertröpfchen aneinander und laden sich dadurch auf. Der Blitz ist die luftelektrische Entladung dieser Aufladung.

  • Skizziere Benjamin Franklins Blitz-Experiment.

    Tipps

    Experimente werden auf folgende Weise zusammengefasst: Auf die Beschreibung des Versuchsaufbaus erfolgt die Beobachtung des Experiments und anschließend eine Auswertung und Interpretation.

    Lösung

    Benjamin Franklin lebte im 18. Jahrhundert und ging vor allem als Politiker und Naturwissenschaftler in die amerikanische Geschichte ein. In der Politik gehörte er zu den Gründervätern der Vereinigten Staaten, in der Naturwissenschaft waren seine Forschungen rund um die Elektrizität bahnbrechend.

    • Die Menschen zu Franklins Zeiten betrachteten Blitz und Donner als Bestrafungen aus dem Himmel.
    • Mit dem lebensgefährlichen Drachen-Versuch, den man nie nachstellen sollte, bewies Franklin, dass ein Blitz elektrisch geladen ist.
    • Denn er konnte beobachten, wie der Blitz in die Metallantenne einschlug, die Ladung über die Leine weitertransportiert wurde und sich dann Funken am Schlüssel bildeten.

    $\rightarrow$ Ein Blitz ist sichtbar gewordene Elektrizität.

  • Erläutere die Vorphase der Gewitterbildung.

    Tipps

    Die Vorphase der Gewitterbildung lässt sich selbst in Abschnitte gliedern: Verdunstung nach oben, Abkühlung, Kondensation und final die Wolkenbildung.

    Kondensation ist die Umwandlung der gasförmigen Wassermoleküle in die flüssige Form. Dieser Vorgang ist das Gegenteil der Verdunstung.

    Lösung

    Zur Entstehung von Gewittern gehört die Wolkenbildung. Insbesondere an feuchtwarmen Tagen verdunstet viel Wasser aus den Gewässern. Die gasförmigen Wassermoleküle steigen nach oben und kühlen dort ab.

    Kalte Luft kann weniger Wassermoleküle halten, der Wasserdampf kondensiert und Wolken bilden sich. In der folgenden Übung erfährst du etwas über die Wasserteilchenreibung in den Wolken, die zu Gewittern führt.

  • Leite die Entstehung von Wolken- und Erdblitzen her.

    Tipps

    Die bei der Verdunstung aufgenommene Energie durch die Sonnenstrahlung entweicht, wenn Wasserdampf kondensiert. Dadurch erwärmen sich Wolken und steigen weiter auf.

    Eis- und Wasserteilchen treffen aufeinander und laden sich auf. Plus- und Minusteilchen entstehen.

    In der Wolke sowie zwischen Wolke und Erdoberfläche entstehen insgesamt zwei elektrische Felder.

    Lösung

    Bei der Kondensation zur Wolkenbildung wird Energie freigesetzt. Dadurch nimmt die Temperatur in der Wolke zu und die Wolke steigt weiter in die Höhe bis sich Wassermoleküle in Eisteilchen verwandeln.

    • Eis- und Wasserteilchen stoßen zusammen, da die leichten Eisteilchen nach oben und die schwereren Wasserteilchen nach unten befördert werden.
    • Beim Zusammenstoß entsteht Reibung und die Teilchen laden sich positiv oder negativ auf.
    • Die Spannung steigt immer weiter an. Ab einem gewissen Spannungsfeld gleichen sich die entgegengesetzten Ladungen durch Blitze aus.
    • Dies passiert innerhalb der Wolke öfter (Wolkenblitze) und zwischen der Wolke und Erdoberfläche seltener (Erdblitze).
    • Damit die Erdblitze bis zur Erdoberfläche gelangen, wird ein sogenannter Blitzkanal durch Vorentladungen aufgebaut.

  • Bestimme die Erfindung Benjamin Franklins im Zusammenhang mit Gewittern.

    Tipps

    Bei Franklins Experiment war an der Drachenspitze eine kleine Metallantenne befestigt – diese war ausschlaggebend für seine Erfindung.

    Lösung

    Neben der physikalischen Erklärung für Blitze erfand Franklin mit Hilfe der Erkenntnisse aus seinem Experiment den Blitzableiter. Ein Blitzableiter besteht aus einer Metallstange, die am höchsten Punkt eines Gebäudes montiert wird.

    • Metall hat eine hohe Leitfähigkeit.
    • Der Blitzableiter wird am höchsten Punkt eines Gebäudes angebracht, da Blitze immer die kürzesten Wege wählen und in den höchsten Punkt einschlagen.
    • Der Blitzableiter nimmt die enorme Blitzenergie auf und leitet sie ab in den Boden.
  • Analysiere die Donnerbildung sowie die Zeitversetzung zum Blitz.

    Tipps

    Die Entstehung von Donner ist gekoppelt an extrem hohe Temperaturen, Luftausdehnung und daraus entstehenden Schallwellen.

    Dass Blitz und Donner zeitversetzt ankommen, weißt du. Der Grund dafür hängt mit der Lichtgeschwindigkeit des Blitzes zusammen.

    Lösung

    Stelle dir bitte die enorm hohe Temperatur im Lichtkanal von 30.000 °C vor. Dann verstehst du sicher die laute Kraft des Donners.

    • Durch den hohen Temperaturanstieg dehnt sich die Luft im Lichtkanal plötzlich aus.
    • Daraus entwickeln sich Schallwellen in alle Richtungen.

    Blitz und Donner entstehen zur gleichen Zeit – bei uns treffen sie jedoch zeitversetzt ein:

    • Das Licht des Blitzes bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, also mit 299.792.458 Meter pro Sekunde.
    • Der Schall des Donners folgt mit 343 Meter pro Sekunde deutlich langsamer.

    Aufgrund dieser Ankunftsunterschiede kannst du die Entfernung des Gewitters berechnen:

    • Zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donnergeräusch.
    • Die Anzahl der Sekunden teilst du durch Drei.
    • Das Ergebnis sind die Kilometer der Entfernung des Gewitters.

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