Die Macht hinter den Blitzen

15. November 2003 Obwohl Blitze beeindruckende Naturschauspiele sind, ist bisher noch recht wenig über die Einzelheiten jener Vorgänge bekannt, die sich in den wenigen Millisekunden eines Blitzschlages zwischen einer Gewitterwolke und dem Erdboden abspielen. Zwar weiß man, spätestens seit der amerikanische Naturforscher und Politiker Benjamin Franklin bei Gewitter Drachen steigen ließ, daß elektrische Felder zur Entstehung von Blitzen nötig sind. Über deren Feldstärke innerhalb der Gewitterwolke gibt es jedoch recht widersprüchliche Angaben.
 
Einen Ansatz für ihre Berechnung hat jetzt die energiereiche, aus Röntgen- und Gammastrahlen bestehende Strahlung geliefert, die mit nahezu jedem Blitz einhergeht. Anfang dieses Jahres ist ihre Stärke erstmals gemessen worden. Ein Forscher aus Florida hat die Daten mit den Ergebnissen von Modellrechnungen verglichen und daraus die elektrische Feldstärke abgeschätzt, die einen Blitz entstehen läßt.
 
Beschleunigt im Gewitterfeld
 
Die genaue elektromagnetische Vermessung von Blitzen ist aus mehreren Gründen schwierig. Einerseits läßt sich nicht vorhersagen, wo Blitze auftreten werden. Deshalb ist es weitgehend vom Zufall abhängig, ob ein Blitz in unmittelbarer Nähe einer mit vielen Instrumenten ausgerüsteten Meßstelle einschlägt. Außerdem läßt sich die jeweilige Stärke eines Blitzes nicht abschätzen, so daß die Gefahr besteht, daß die Meßgeräte vom Blitz zerstört werden. Schließlich ist es unmöglich, das gesamte elektrische Feld innerhalb einer Gewitterwolke zu messen. Deshalb schwanken die Angaben über die tatsächliche Größe des zum Blitzschlag führenden Feldgradienten erheblich, nämlich von einigen hundert bis zu mehreren tausend Kilovolt pro Meter.
 
Schon seit langem ist bekannt, daß Blitze von Röntgenund Gammastrahlung begleitet werden. Als Ursache für diese Strahlung wird die kontinuierlich aus dem Weltraum auf die Erde niedergehende kosmische Strahlung vermutet. Wird ein Luftmolekül von einem dieser kosmischen Strahlungsquanten getroffen, kann das Molekül ionisiert werden. Die Energie des Zusammenstoßes geht dabei auf ein Elektron über. Geschieht diese Kollision innerhalb einer Gewitterwolke, wird das Elektron von dem elektrischen Feld in der Wolke beschleunigt. Dabei stößt es mit weiteren Luftmolekülen zusammen und ionisiert sie. Auch die dabei entstehenden Elektronen werden im elektrischen Gewitterfeld beschleunigt. Sie können weitere Moleküle ionisieren, bis es zu einer lawinenartigen Freisetzung von immer mehr Elektronen kommt. Schließlich entstehen derart viele Elektronen, daß sie kurzfristig wie ein starker elektrischer Kurzschlußstrom zwischen Wolke und Boden fließen und dabei den eigentlichen Blitz erzeugen.
 
Mit numerischen Modellen simuliert
 
Bei der Beschleunigung im elektrischen Feld einer Gewitterwolke verlieren die Elektronen allerdings einen Teil ihrer Energie als hochenergetische Bremsstrahlung. Am Zentrum für Blitzforschung in Melbourne/Florida ist kürzlich die Stärke und Energieverteilung dieser Röntgen- und Gammastrahlung erstmals genau gemessen worden. Eine Forschergruppe um Joseph Dwyer von der Technischen Hochschule Floridas schoß dazu vom Gelände des Forschungszentrums aus Raketen in 37 verschiedene Gewitterwolken und erzeugte dabei kontrolliert Blitze. In 31 Fällen waren die Blitzschläge von starken Impulsen von Röntgen- und Gammastrahlung begleitet. Wie die Gruppe in der Zeitschrift "Science" (Bd. 299, S. 694) schrieb, konnte durch die genaue Messung der Strahlung erstmals der experimentelle Nachweis erbracht werden, daß es tatsächlich im Gewitter zu einer Elektronenlawine kommt.
 
Dwyer hat nun die Ergebnisse dieser Experimente mit numerischen Modellen simuliert. Dabei stellte sich heraus, daß schon eine Feldstärke von knapp unter 300 Kilovolt pro Meter genügt, eine Elektronenlawine entstehen zu lassen ("Geophysical Research Letters", Bd. 30, S. 2055). Wenn sich die Ergebnisse der Modellrechnungen bestätigen, reichte eine wesentlich geringere elektrische Feldstärke als bisher vermutet aus, einen Blitz in der Atmosphäre zu erzeugen.