Blog

Nov 24, 2023

Die besten Wissenschaftler seit 50 Jahren verblüffen: Physiker lösen ein Blitz-Rätsel

Von University of South Australia, 23. Dezember 2022 Blitze sind ein natürliches Phänomen, das bei Gewittern auftritt, wenn die Entladung von Elektrizität in der Atmosphäre einen hellen Lichtblitz verursacht.

Von University of South Australia, 23. Dezember 2022

Blitze sind ein natürliches Phänomen, das bei Gewittern auftritt, wenn die Entladung von Elektrizität in der Atmosphäre einen hellen Lichtblitz verursacht. Es wird normalerweise von Donner begleitet, einem Geräusch, das durch die Ausbreitung schnell erhitzter Luft durch die Entladung von Elektrizität entsteht. Blitze werden durch den Aufbau positiver und negativer Ladungen innerhalb einer Wolke oder zwischen einer Wolke und dem Boden verursacht. Wenn die Unterschiede in diesen Ladungen zu groß werden, kommt es zu einer elektrischen Entladung, die sich als Blitz äußern kann.

Jeden Tag ereignen sich auf der ganzen Welt etwa 8,6 Millionen Blitze, die sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 320.000 Kilometern pro Stunde bewegen und enorme Mengen Strom erzeugen.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Blitze im Zickzack verlaufen? Wissenschaftler streiten seit 50 Jahren über die Gründe, warum Blitze im Zickzack verlaufen und wie sie mit der darüber liegenden Gewitterwolke zusammenhängen.

There hasn’t been a definitive explanation until now, with a University of South Australia (UniSA) plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Plasmaphysiker veröffentlicht eine bahnbrechende Arbeit, die beide Rätsel löst.

Dr. John Lowke, former CSIROCSIRO stands for the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization. It is Australia's national science agency and one of the largest research agencies in the world. CSIRO conducts research in a wide range of fields, including agriculture, health, energy, and the environment, and aims to use its research to create economic, environmental, and social benefits for Australia and the world.<div class="text-gray-400 flex self-end lg:self-center justify-center mt-2 gap-4 lg:gap-1 lg:absolute lg:top-0 lg:translate-x-full lg:right-0 lg:mt-0 lg:pl-2 visible"> </div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Der CSIRO-Wissenschaftler und jetzt außerordentliche Forschungsprofessor der UniSA sagt, die Physik des Blitzes habe die besten wissenschaftlichen Köpfe jahrzehntelang verblüfft.

„Es gibt ein paar Lehrbücher über Blitze, aber keines hat erklärt, wie sich die Zickzacklinien (Stufen genannt) bilden, warum die elektrisch leitende Säule, die die Stufen mit der Wolke verbindet, dunkel bleibt und wie Blitze sich über Kilometer ausbreiten können“, sagt Dr. Lowke sagt.

Die Antwort? Singulett-Delta-metastabile Sauerstoffmoleküle.

Grundsätzlich entsteht ein Blitz, wenn Elektronen mit ausreichend Energie auf Sauerstoffmoleküle treffen, um hochenergetische Singulett-Delta-Sauerstoffmoleküle zu erzeugen. Nach der Kollision mit den Molekülen bilden die „abgelösten“ Elektronen eine hochleitende – zunächst leuchtende – Stufe, die das elektrische Feld neu verteilt und aufeinanderfolgende Stufen verursacht.

Die leitende Säule, die die Stufe mit der Wolke verbindet, bleibt dunkel, wenn sich Elektronen an neutrale Sauerstoffmoleküle anheften und es anschließend zu einer sofortigen Ablösung der Elektronen durch Singulett-Delta-Moleküle kommt.

Warum ist das wichtig?

„Wir müssen verstehen, wie Blitze entstehen, damit wir herausfinden können, wie wir Gebäude, Flugzeuge, Wolkenkratzer, wertvolle Kirchen und Menschen besser schützen können“, sagt Dr. Lowke.

Während es selten vorkommt, dass Menschen vom Blitz getroffen werden, werden Gebäude häufig getroffen, insbesondere hohe und isolierte (das Empire State Building wird jedes Jahr etwa 25 Mal getroffen).

Die Lösung zum Schutz von Bauwerken vor Blitzeinschlägen ist seit Hunderten von Jahren dieselbe.

Ein 1752 von Benjamin Franklin erfundener Blitzableiter ist im Grunde ein dicker Zaundraht, der an der Spitze eines Gebäudes befestigt und mit dem Boden verbunden wird. Es soll Blitze anziehen und die elektrische Ladung erden, um das Gebäude vor Schäden zu bewahren.

„Diese Franklin-Stäbe werden heute für alle Gebäude und Kirchen benötigt, aber die Ungewissheit besteht darin, wie viele für jedes Bauwerk benötigt werden“, sagt Dr. Lowke.

Darüber hinaus gibt es Hunderte von Bauwerken, die derzeit nicht geschützt sind, darunter Schutzhütten in Parks, die oft aus verzinktem Eisen bestehen und auf Holzpfosten stehen.

Dies könnte sich ändern, da neue australische Blitzschutznormen die Erdung dieser Dächer empfehlen. Dr. Lowke war Ausschussmitglied von Standards Australia und empfahl diese Änderung.

„Eine Verbesserung des Blitzschutzes ist jetzt aufgrund der zunehmenden Extremwetterereignisse aufgrund des Klimawandels so wichtig. Auch wenn die Entwicklung umweltfreundlicher Verbundwerkstoffe in Flugzeugen die Treibstoffeffizienz verbessert, erhöhen diese Materialien das Risiko von Schäden durch Blitzschlag erheblich, sodass wir nach zusätzlichen Schutzmaßnahmen suchen müssen.

„Je mehr wir über die Entstehung von Blitzen wissen, desto besser können wir unsere gebaute Umwelt gestalten“, sagt Dr. Lowke.

Referenz: „Toward a theory of 'stepped-leaders' in Lightning“ von John J. Lowke und Endre J. Szili, 13. Dezember 2022, Journal of Physics D: Applied Physics.DOI: 10.1088/1361-6463/aca103