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Gewitter

Gewitter entstehen in unserer Klimazone, wenn Wolken sich zu riesigen Wolkenbergen auftürmen. Warum genau es daraus blitzt und donnert, wissen Wissenschaftler immer noch nicht ganz genau.

Es beginnt mit einer harmlosen Schönwetterwolke, Cumulus genannt.

Jetzt brauchen wir 2 Bedingungen, damit die Cumuluswolke immer weiter wachsen kann.

Es muss sehr viel Wasser in der Luft gelöst sein, die Luft muss also sehr feucht sein.

Es muss am Boden sehr viel wärmer als in der Höhe sein. Das passiert oft im Sommer, wenn die Luft am Erdboden sehr stark erhitzt wird. Es kann aber auch im Frühling, Herbst und Winter passieren, wenn sehr kalte Luft aus der Arktis in großer Höhe zu uns kommt.

Durch den großen Temperaturunterschied werden die wärmeren Wolkentröpfchen nach oben gezogen, weil sie leichter sind als die kalte Luft. Gleichzeitig bilden sich in der feuchten Luft neue Wolkentröpfchen.

Die Wolke wird also nicht auseinander gezogen sondern wächst richtig: Der untere Rand verschiebt sich ein wenig weiter zum Erdboden hin, nach oben wächst die Wolke viel stärker.

 

Eine Schönwetter-Cumulus-Wolke beginnt unten in einer Höhe von knapp 1 Kilometer und ist 2 bis 3 Kilometer hoch. Je höher die Wolke wird, desto schneller werden die Wassertröpfchen, aus denen sie besteht.

Wenn sie sich zu einer richtigen Gewitterwolke aufgetürmt hat, liegt ihr oberer Rand bei mehr als 10 Kilometern. Jetzt heißt sie auch nicht mehr Cumulus sondern Cumulonimbus.

Wir Wasserteilchen flitzen darin mit einer wahnsinnigen Geschwindigkeit von über 120 Stundenkilometern herum. Und wir bleiben lange flüssig, auch wenn es in der Wolke ziemlich kalt ist. Jedenfalls gefrieren wir nicht wie das Wasser an der Erdoberfläche bei Null Grad! Ab minus zwölf Grad Celsius werden die Wassertröpfchen langsam zu Eis. Sie gefrieren schneller, wenn sie etwas finden, woran sie sich anlagern können, ein Staub- oder Russkorn vielleicht, oder einen schon gefrorenen Tropfen. Die nennt man Gefrierkerne. Bei minus 40 Grad Celsius ist dann auch der Rest der unterkühlten Wassertropfen gefroren.

 

Scratch!-Animation

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Hier kannst du aus einer Schönwetter-Cumulus-Wolke eine Cumulonimbus-Gewitterwolke entstehen lassen. Ziehe den Schieberegler zwischen 1 und 6 von Cumulus zu Cumulonimbus. Du siehst, dass alle Wasserteilchen mit wachsender Wolkengröße immer schneller werden, und dass die Wasserteilchen am oberen Wolkenrand bei minus 40 Grad Celsius zu Eisteilchen gefrieren.

 

Mit den in der Wolke herum flitzenden Wassertropfen und Eiskristallen wird es in der Cumulonimbuswolke ziemlich windig. Die Aufwinde erreichen glatt Autobahngeschwindigkeiten, und deswegen fallen die Tropfen und Eiskristalle nicht herunter.

Wenn sich aber ganz oben in der Wolke die ersten größeren Eiskristalle bilden, geht es ganz schnell: Die anderen Eiskristalle und die unterkühlten flüssigen Tröpfchen kleben daran fest, und die Mini-Kristalle wachsen zu Schneeflocken oder Graupelkörnern, die so schwer sind, dass sie herunter fallen. Es beginnt zu regnen. Beinahe jeder Regentropfen, der in unserer Klimazone auf die Erde fällt, war früher ein Eiskristall.

Wenn die Eiskristalle sehr groß sind und deswegen schneller herunter fallen, dann kommen sie als Eis auf der Erdoberfläche an: Es hagelt.

Und wieso blitzt und donnert es?

 

 

Weil die Wassertröpfchen und Eisteilchen, die rasend schnell in der Wolke herum flitzen, sich elektrisch aufladen. Wie und warum sie das tun, habt ihr Menschen noch nicht heraus bekommen, und das, obwohl ihr euch seit Jahrhunderten mit dem Wasser und dem Wetter beschäftigt. Ich verrate es euch auch nicht.

So viel jedenfalls ist klar: Die kleinen Eisteilchen bekommen eine positive Ladung. Die Wassertröpfchen eine negative Ladung.

Nun wisst ihr bereits, das die Eisteilchen sich oben bei etwa minus 40 Grad Celsius versammeln und die Wasserteilchen unten. In der Mitte, bei Temperaturen von minus 15 bis minus 30 Grad Celsius, gibt es beide gleichzeitig: Plus-geladene Eisteilchen und Minus-geladene unterkühlte Wassertropfen. Und obwohl Plus-geladene und Minus-geladene Teilchen sich anziehen, wandern sie auseinander. Warum?

Gleichzeitig lädt sich der Erdboden - direkt gegenüber den negativ geladenen Teilchen der Unterseite der Wolke - sozusagen als Ausgleich positiv auf.

Wenn oben und unten und auf dem Erdboden genügend gleich geladene Teilchen zusammen kommen, entsteht zwischen ihnen eine elektrische Spannung. Von da ist es nicht mehr weit bis zum ersten Blitz.

Irgend etwas stößt das erste Negativ-Teilchen an, das stößt weitere an, und wie eine Lawine breitet sich die Entladung aus. Dabei wechselt sie dauernd die Richtung. Deswegen sind Blitze so gezackt. Und weil ein einzelner Blitz nicht aus einer einzigen sondern aus 20 bis 30 solcher Entladungen besteht, flackern Blitze.

Ein Blitz in der Wolke ist 5 bis 7 Kilometer lang, ein Blitz zur Erdoberfläche 1 bis 2 Kilometer. Viel seltener sind Blitze, die von der Spitze der Wolke zur Erdoberfläche gehen. Die nennt man Positivblitze, sie sind über 10 Kilometer lang, sie können mehrere Kilometer vom Gewitter entfernt einschlagen, und sie sind bis zu 15 mal so stark wie ein normaler Erdblitz.

Im Blitz fließt ein wahnsinnig hoher Strom, über tausend mal so stark wie der maximale Strom in eurer Wohnung sein kann.

Und was macht den Krach?

Der ganze Blitzkanal hat einen Durchmesser von gerade einmal einem Zentimeter. Darin wird die Luft auf bis zu dreißigtausend Grad Celsius erhitzt. Das ist wesentlich heißer als an der Oberfläche der Sonne. Solange der Blitz anhält wird diese heiße Luft vom Magnetfeld des Blitzes im Blitzkanal eingesperrt, erst wenn der Blitz, nach etwa einer Zwanzigstel Sekunde, weiter gesprungen ist, kann die heiße Luft sich endlich ausdehnen. Das tut sie blitzschnell, es ist wie eine Explosion, und was dabei entsteht, ist eigentlich nur ein lauter Knall. Wie bei einem riesigen Luftballon, der platzt.

Aber ein Blitz besteht ja aus mehreren Entladungen, und jede macht einen lauten Knall. Und diese Knalle werden von den Wasser- und Eisteilchen in der Wolke als Echos zurück geworfen und verzerrt. So entsteht das typische Grollen des Donners. Ganz nah am Blitz hört man aber ganz deutlich den Knall.

 

Die Wissenschaftler sind sehr neugierig, was genau sich in einer Gewitterwolke abspielt. Aber, was sich dort abspielt, die Stürme, die Eisteilchen und die Temperaturen, ist so heftig, dass kein Messinstrument eine Reise durch eine Cumulonimbuswolke überstehen würde.

 

Überhaupt ist bis heute nur ein einziger Mensch bekannt, der mit seinem Fallschirm in eine Cumulonimbuswolke geriet und dieses Abenteuer überlebt hat.