Wissenschaft: Blitze: Gefahr und Faszination, Rätsel und Rekorde

Seit Urzeiten faszinieren und ängstigen Gewitter Menschen. In der Bibel wurden Blitz und Donner als Zorn Gottes gedeutet. Die Germanen sahen darin ein Zeichen, dass der Gott Thor seinen Hammer zur Erde schleuderte. Bei den Griechen waren Blitze ein Symbol des Gottes Zeus. Heute überwiegt der wissenschaftliche Blick. Doch trotz jahrhundertelanger Erforschung sind die Blitzabläufe noch immer nicht vollständig geklärt.

Wenn man das Drachenexperiment des amerikanischen Naturforschers und Politikers Benjamin Franklin als Beginn der Forschung ansieht, werden Blitze seit mehr als 250 Jahren untersucht. Der, so heißt es, habe 1752 während eines Gewitters einen Drachen steigen lassen und nachgewiesen, dass es sich beim Blitz um elektrische Entladung handelt. Oder war es nur ein Gedankenexperiment? Jedenfalls gilt Franklin als Erfinder des Blitzableiters.

Bessere Messtechnik hat das Wissen über Blitze zuletzt erheblich erweitert. 2016 gab die Weltwetterorganisation zwei Rekorde bekannt, die bis dahin geltende wissenschaftliche Erklärungen infrage stellten. Der am längsten dauernde Blitz züngelte 7,74 Sekunden und wurde 2012 über dem Südosten Frankreichs aufgezeichnet. Er reichte 200 Kilometer weit waagerecht über den Himmel. Der längste Blitz wurde 2007 im US-Staat Oklahoma gemessen: 321 Kilometer von Wolke zu Wolke quer über den Himmel!

Der Rekord: Ein Gewitter mit 181 Blitzen pro Stunde

Am häufigsten blitzt es am Maracaibo-See im Nordwesten Venezuelas – laut Guinness-Buch durchschnittlich 181 Mal pro Stunde während eines sogenannten Catatumbo-Gewitters. Dies erklären Wissenschaftler mit der Lage des Binnenmeers: Es liegt zwischen zwei Gebirgsketten, von Norden strömt feuchtwarme Luft der Karibik ein. Hohe Temperaturen und häufig 80 Prozent Luftfeuchtigkeit sorgen für viel Energie in der Atmosphäre.

Wie groß die Energie sein kann, zeigten Forscher aus Mumbai/Indien 2019 in „Phsyical Review Letters“. Mtihilfe eines GRAPES-3-Detektors zur Aufzeichnung kosmischer Strahlung maßen sie die Spannung in Gewitterwolken: pro Minute rund 2,5 Millionen Myonen. Da sich diese geladenen Elementarteilchen von elektrischen Feldern wie Gewitterwolken ablenken lassen, zeigt die Verringerung des Teilchenstroms bei einem Gewitter dessen elektrische Energie an. Die Forscher maßen bei einer Gewitterwolke von 380 Quadratkilometer Ausdehnung eine Spannung von 1,3 Milliarden Volt – zehnmal mehr als zuvor mit Ballonmessungen nachgewiesen.

Auch eine Entdeckung deutscher und niederländischer Forscher wurde mit einem Instrument der Weltraumforschung gemacht. Das Radioteleskop LOFAR besteht aus tausenden Antennen. Sie sind über Europa verteilt und können über Glasfasernetze zu einem virtuellen Radioteleskop zusammengeschaltet werden. In den damit analysierten Radiowellen aus Gewitterwolken, entdeckte ein internationales Team bislang unbekannte Strukturen: bis zu 100 Meter lange Nadeln, die vom Plasmakanal des Blitzes abzweigen und in denen sich elektrische Ladung bewegt. Aufgrund dieser Nadeln kann sich eine Wolke innerhalb kürzester Zeit mehrfach entladen – die Blitze flackern dann.

Aus dem Chaos geboren: Können Blitze vorausgesagt werden?

Die gängige Erklärung für die großen Ladungsunterschiede innerhalb einer Gewitterwolke: In der Wolke entstehen kräftige Aufwinde. Wasserdampf kondensiert zu Wassertröpfchen, was Wärme freisetzt und deren Auftrieb erhöht. In einigen Kilometern Höhe gefrieren die Tröpfchen und werden zu Graupelteilchen. Sie geben durch Reibung Elektronen an größere Graupelteilchen ab, die sich so negativ aufladen und so schwer werden, dass sie in den unteren Teil der Wolke sinken, der sich negativ auflädt, während der obere Teil positiv geladen ist. Diese Spannung wird durch einen Blitz in einem etwa 30.000 Grad Celsius heißen Plasmakanal ausgeglichen. Die meisten Blitze züngeln deshalb innerhalb von Wolken. Nur ein kleinerer Teil trifft die Erde.

Solche Erdblitze können Mensch, Tier und Technik gefährlich werden, weshalb Wissenschaftler schon lange versuchen, Blitze vorherzusagen. Forscher um Farhad Rachidi vom Eidgenössischen Institut für Technologie in Lausanne sind dabei sehr vorangekommen. Ihr lernfähiges Computerprogramm könne Blitze im Umkreis von 30 Kilometern bis zu 30 Minuten im Voraus vorhersagen, berichteten sie kürzlich in „Climate and Atmospheric Science“. Dazu benötige es nur Angaben zu Luftdruck, Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit. Bei Tests konnten sie Blitze für die kommende halbe Stunde mit einer Trefferquote von 76 Prozent vorhersagen.

Und doch bleibt: „Die Vorgänge in Gewitterwolken sind grundsätzlich chaotischer Natur“, sagt Hans-Dieter Betz, der seit knapp 20 Jahren Blitze erforscht. Seine Arbeit brachte eine Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit. Die räumliche Verteilung von Gewitterblitzen sei wichtig für den Aufbau eines Blitzschutzes, betont Betz. Wolle man etwa eine Bahnlinie von 1000 Kilometern Länge schützen, sei es von Vorteil zu wissen, wo ein Blitzeinschlag am wahrscheinlichsten sei, um den Schutz dort zu verbessern. „Es gibt Gebiete, in denen die Wahrscheinlichkeit von Blitzen zehnmal höher liegt als in anderen Gebieten“, sagt Betz. Solche Areale seien etwa Gegenden mit hoher Bodenleitfähigkeit oder Berghänge, an denen sich Wolken stauen.

Und wie verhält man sich am besten?

Zu Kunden von Blitzinformationen gehören Versicherungen, die mitunter für Schäden aufkommen müssen. Anhand der verzeichneten Blitze können sie abschätzen, wie plausibel eine Schadensmeldung etwa wegen Überspannung durch Blitzeinschlag ist. Nach einer Untersuchung der Fachhochschule Aachen sind in dörflicher Umgebung Schäden an elektrischen Geräten in mehr als einem Kilometer Entfernung von einem Blitzeinschlag unwahrscheinlich. In Städten liegt der Wert wegen des größeren Stromnetzes bei einem halben Kilometer Entfernung. Laut Thomas Langer vom Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft gab es in den vergangenen Jahren in Deutschland zwar mehr Starkwetterereignisse mit großen lokalen Schäden durch Sturm, Hagel, Blitze. Die Zahl der Erdblitze pro Jahr war jedoch in den vergangenen Jahren rückläufig. Die Schadenssumme pro Blitz wiederum ist gestiegen, weil mehr Elektronik in Gebäuden verbaut werde, berichtet Langer. Dazu gehören Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung und Smart-Home-Systeme.

Für Menschen gilt: Wenn man von einem Gewitter überrascht wird, sollte man die Nähe von Bäumen meiden, die bei Blitzeinschlag zur tödlichen Gefahr werden. In freiem Gelände sollte man sich, möglichst in einer Kuhle, hinhocken, die Füße beisammenhalten und sich die Ohren zuhalten. So biete man die kleinste Angriffsfläche für die Blitzenergie von oben und vom leitenden Boden und schütze das Gehör vor dem Donner. Etwa jeder vierte Blitzeinschlag endet bei einem Menschen tödlich. Aber auch Überlebende hätten oft lang gesundheitliche Probleme – an Haut, Herz, Gehör, Augen, Gehirn, Nerven. Hierzulande werden jährlich mehrere Dutzend Menschen schwer durch Blitze verletzt, bis zu zehn Menschen sterben daran.

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