Blitze für Strom sorgen lassen? Blitze versorgen die Welt nur neun Tage im Jahr mit Strom.

Heutzutage ist Elektrizität aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie wissen vielleicht, dass der Großteil des Stroms, den wir im Alltag verbrauchen, aus Kraftwerken stammt, aber wissen Sie es auch? Auch der blaue Himmel über unseren Köpfen speichert riesige Mengen elektrischer Energie. Wenn es blitzt und donnert, spüren wir immer den Schock, den diese Energie mit sich bringt.

Seit der Antike haben die Menschen Ehrfurcht vor Donner und Blitz. In Mythologien auf der ganzen Welt gibt es Bilder von Göttern, die Donner und Blitz kontrollieren. In der alten chinesischen Mythologie beispielsweise kontrollieren Lei Gong und Dian Mu die Macht von Donner und Blitz zwischen Himmel und Erde, um Übeltäter zu bestrafen.

Ist ein Blitz am Himmel dasselbe wie Strom im Haushalt?

Im Jahr 1752 führte Franklin das berühmte Drachenexperiment durch und lüftete das Geheimnis des Blitzes. Franklin hat einen besonderen Drachen gebaut. Am Drachen wurde ein Stück Metalldraht befestigt. Als Drachenschnur wurde ein langes Seil mit dem Metalldraht verbunden. Am unteren Ende des Seils hing ein Schlüssel. An einem stürmischen Tag ließen Franklin und sein Sohn den Drachen in den Himmel steigen.

In diesem Moment zuckte ein Blitz über den Himmel und die Fasern der Drachenschnur richteten sich augenblicklich auf. Franklin war sehr glücklich. Er berührte den Schlüssel vorsichtig mit der Hand und sofort sprangen knisternde Funken zwischen seinen Fingern und dem Schlüssel über.

Anschließend leitete er den Strom der Drachenschnur in eine Leidener Flasche, eilte nach Hause, um verschiedene elektrische Untersuchungen durchzuführen, und stellte schließlich fest, dass der Blitz am Himmel und der Strom im Haushalt eigentlich dasselbe sind und dass ein Blitz nichts anderes als eine besonders intensive elektrische Funkenentladung ist.

Franklin führt sein berühmtes Drachenexperiment durch

Später entdeckten Wissenschaftler, dass die Erde selbst eine große Menge negativer Ladung trägt und eine gleiche Menge positiver Ladung in der Ionosphäre vom Boden bis zu einer Höhe von etwa 50 km verteilt ist, wodurch ein vertikal nach unten gerichtetes atmosphärisches elektrisches Feld entsteht.

In einer klaren und offenen Wildnis erhöht sich das elektrische Potenzial pro Meter vertikaler Höhe über dem Boden um etwa 130 Volt, was bedeutet, dass die Stärke des atmosphärischen elektrischen Felds etwa 130 V/m beträgt. Es scheint, dass bei einem Erwachsenen, der im Freien steht, vom Scheitel bis zu den Fußsohlen eine Spannung von fast 200 Volt herrscht!

Warum spüren Sie keinen Stromschlag, wenn Sie auf der Straße gehen?

Der Grund, warum Menschen einen Stromschlag erleiden, liegt zunächst darin, dass ein elektrischer Strom, der die menschliche Wahrnehmung übersteigt, durch den menschlichen Körper fließt. Der menschliche Körper ist ein Leiter. Bei versehentlichem Kontakt mit 220-Volt-Haushaltsstrom wird es als Schaltungselement mit der Schleife verbunden und verursacht einen Stromschlagunfall.

Im atmosphärischen elektrischen Feld an einem sonnigen Tag ist die Leitfähigkeit der Luft sehr schlecht und der menschliche Körper befindet sich immer in einem Zustand des elektrostatischen Gleichgewichts. Das heißt, die Spannung vom Scheitel bis zu den Fußsohlen liegt tatsächlich nahe Null und es fließt fast kein Strom durch den Körper, sodass Sie den Stromschlag nicht spüren.

Wenn Sie jedoch unglücklicherweise vom Blitz getroffen werden, kann die große Menge an elektrischem Strom, die in einem Augenblick durch den menschlichen Körper fließt, großen Schaden anrichten.

Wissenschaftler haben außerdem herausgefunden, dass zwischen der Erde und der Ionosphäre ein Boden-Weltraum-Strom von etwa 1800 A besteht, der kontinuierlich positive Ladungen zur Erde transportiert. Theoretisch wird die elektrische Energie der Ionosphäre in etwa 5 Minuten verbraucht und das atmosphärische elektrische Feld verschwindet.

Tatsächlich ist der Wert des atmosphärischen elektrischen Felds an einem sonnigen Tag jedoch ziemlich stabil, was bedeutet, dass es eine bestimmte „Energiequelle“ gibt, die die Ionosphäre auflädt . Was genau ist diese besondere „Energiequelle“? Tatsächlich ist der Blitz die Energiequelle, die die Ionosphäre auflädt. Im Durchschnitt kommt es weltweit zu etwa 100 Blitzeinschlägen pro Sekunde. Der Blitzstrom transportiert negative Ladungen von oben nach unten zur Erde und erreicht so ein dynamisches Gleichgewicht von Ladung und Entladung zwischen der Erde und der Ionosphäre.

Traditionelles globales atmosphärisches Kreislaufmodell

Können wir Blitze nutzen?

Da Blitze und alltägliche Elektrizität dasselbe sind, gibt es weltweit pro Sekunde mehr als hundert Blitzeinschläge. Wie großartig wäre es, wenn man so viele Blitze sammeln und in Elektrizität für den menschlichen Gebrauch umwandeln könnte!

Klassifizierung von Blitzen

Je nach Ort, an dem der Blitz auftritt, wird er normalerweise in zwei Kategorien unterteilt: Wolke-Boden-Blitz und Boden-Wolke-Blitz. Blitze, die in den Boden einschlagen, heißen Bodenblitze und machen etwa 1/3 aller Blitze aus . Blitze, die in den Wolken auftreten, also nicht in den Boden einschlagen, heißen Wolkenblitze und machen etwa 2/3 aller Blitze aus.

Bei der Klassifizierung von Boden-Boden-Blitzen nach der Polarität der neutralisierten Ladung handelt es sich bei Blitzen, die negative Ladung aus der Wolke auf den Boden übertragen, um negative Boden-Boden-Blitze, deren Stromrichtung nach oben zeigt und die etwa 90 % aller Boden-Boden-Blitze ausmachen. Blitze, die positive Ladung aus der Wolke auf den Boden übertragen, werden hingegen als positive Boden-Boden-Blitze bezeichnet, deren Stromrichtung nach unten zeigt und die nur etwa 10 % aller Boden-Boden-Blitze ausmachen.

Entsprechend der Klassifizierung des Ausgangspunkts des Blitzes wird der Blitz, der vom Boden ausgeht und sich nach oben entwickelt, als Aufwärtsblitz bezeichnet , was im Allgemeinen selten ist, während der Blitz, der sich von der Wolke nach unten entwickelt, als Abwärtsblitz bezeichnet wird. Daher können Erdblitze in vier Typen unterteilt werden: nach unten gerichtete negative Erdblitze, nach unten gerichtete positive Erdblitze, nach oben gerichtete positive Erdblitze und nach oben gerichtete negative Erdblitze. Am häufigsten sind negative Erdungsblitze nach unten.

Vier Arten von Bodenblitzen

Wie entsteht ein Blitz?

Blitze treten im Allgemeinen in Cumulonimbuswolken mit starker Konvektion auf. Durch die Kollision von Partikeln wie Hagel und Eiskristallen in den Cumulonimbuswolken kommt es zu einer kontinuierlichen Trennung der positiven und negativen Ladungen in den Wolken. Wenn sie sich bis zu einem bestimmten Niveau ansammeln, durchbrechen sie die Luft und der Blitzprozess beginnt.

Zu diesem Zeitpunkt werden vom selben Durchbruchspunkt zwei „Vorhuten“ ausgesandt, um den Kanal gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen zu erweitern. Ein „Vortrupp“ transportiert positive Ladung in Richtung des negativ geladenen Bereichs in der Wolke, und der andere „Vortrupp“ transportiert negative Ladung in Richtung des positiv geladenen Bereichs in der Wolke, bis der gesamte Blitzkanal geöffnet ist.

Jedes „Vorhutteam“ wird als „Pionier“ bezeichnet, und die beiden „Vorhutteams“, die entgegengesetzte Angriffe durchführen und gleichzeitig vorrücken, werden als „Zweirichtungsführer“ bezeichnet.

Am Beispiel des nach unten gerichteten negativen Erdblitzes fungiert eine kleine Gruppe negativer Ladungen als „Vorhut“ und bewegt sich unter der Führung des elektrischen Feldes auf dem Weg des geringsten Widerstandes von der Wolke zur Erde, wobei sie die Aufgabe übernimmt, den Blitzkanal von der Wolke zur Erde zu öffnen. Auf dem Weg dorthin wird die Luft ionisiert, wodurch ein Ionisationskanal entsteht und ihre Leitfähigkeit erheblich erhöht wird.

Allerdings wird auch dieses „Vorhutteam“ müde. Nachdem es in 1 Mikrosekunde eine Strecke von etwa zehn Metern zurückgelegt hat, hält es für etwa 50 Mikrosekunden an, um Energie zu tanken, und bewegt sich dann weiter, um den Weg zu erkunden. Dieser Vorgang ähnelt dem Treppenabstieg, daher wird das „Vorhutteam“ als Stufenführer bezeichnet. Manchmal teilen sich die „Vorhuten“ in mehrere Gruppen auf, die dann die Form eines Blitzes bilden.

Wenn die „Vorhut“ eine Entfernung von Dutzenden bis Hunderten von Metern über dem Boden erreicht, brechen ein oder mehrere „Empfangstruppen“ vom Boden auf, um sie zu begrüßen. Diese sogenannten Verbindungspioniere werden eingesetzt. Als die „Vorhut“ und die „Unterstützungstruppen“ erfolgreich aufeinandertrafen, wurde der Blitzkanal zwischen der Wolke und dem Boden vollständig geöffnet und der Boden gab heftig eine große Menge positiver Ladung in Richtung des gerade geöffneten Kanals frei. Dieser Vorgang wird als Gegenangriff bezeichnet.

Die Spitzenstromstärke beim Rückhub beträgt mehrere zehntausend Ampere. Durch die schnelle Freisetzung der Rückhubenergie wird der ursprüngliche Führungskanal erhitzt und die Temperatur erreicht augenblicklich 30.000 K. Die daraus resultierende hohe Temperatur und der hohe Druck führen dazu, dass sich der Kanal schnell ausdehnt und eine Stoßwelle erzeugt, die zu Donner führt.

Der Vorgang des Vor- und Rückschlags stellt eine Impulsentladung eines Blitzes dar. Im Allgemeinen besteht ein Blitz aus mehreren Impulsentladungen. Nach der ersten Impulsentladung erfolgt nach einer kurzen Pause ein zweiter Entladevorgang. Der zweite Entladevorgang beginnt ebenfalls am Vorschub und endet mit dem Rückhub.

Da sich nach dem ersten Entladungsvorgang der Blitzkanal etabliert hat, erkundet der zweite Leiter nicht mehr schrittweise die Tiefe, sondern gelangt direkt aus der Wolke auf den Boden. Dieser Vorfachtyp wird als Pfeilvorfach oder gerades Vorfach bezeichnet. Der von einem geraden Anführer geführte Gegenangriff wird als nachfolgender Gegenangriff bezeichnet.

Schematische Darstellung der negativen Erd-Erde-Blitzentwicklung

Die Kraft eines Blitzes beruht auf seinem enormen Strom, dessen Spitzenstromstärke mehrere zehntausend Ampere beträgt, seine Dauer ist jedoch extrem kurz, nur einige zehn Mikrosekunden.

Schätzungen zufolge können durch einen Blitz etwa 200–300 kWh Strom gewonnen werden, was ausreicht, um eine durchschnittliche Familie einen Monat lang mit Strom zu versorgen. Jedes Jahr gibt es weltweit 1,4 Milliarden Blitzeinschläge, und Wolkenblitze können nicht erfasst werden . Theoretisch beträgt die gesamte elektrische Energie, die durch die 400 Millionen aufnehmbaren Erdblitze bereitgestellt werden kann, etwa 100 Milliarden Kilowattstunden. Laut Statistik wird die gesamte weltweite Stromerzeugung im Jahr 2023 30 Billionen Kilowattstunden betragen. Der durch Blitze erzeugte Strom kann von der Erde nur 9 Tage lang genutzt werden . Aus dieser Perspektive ist die durch Blitze erzeugte Elektrizität nur ein Tropfen auf den heißen Stein.

Darüber hinaus können wir den Ort von Blitzeinschlägen nicht genau vorhersagen, sodass es schwierig ist, natürliche Blitze einzufangen. Darüber hinaus ist es eine äußerst schwierige Aufgabe, die Millionen Volt Hochspannung, die durch Blitze entsteht, auf 220 Volt zu reduzieren und an das Stromnetz anzuschließen. Mit der derzeitigen Technologie ist dies nicht zu bewerkstelligen. Daher ist die Nutzung von Blitzen zur Erzeugung von Elektrizität für die Menschheit reine Fantasie.

Vorteile von Lightning

Obwohl wir Blitze derzeit nicht einfangen können, spielen sie in der Natur eine sehr wichtige Rolle. Bei einem Blitzeinschlag werden Stickstoff und Sauerstoff in der Luft vollständig ionisiert und verbinden sich zu Stickoxiden, die sich im Regenwasser auflösen und zu Boden fallen, wo sie zu natürlichem Stickstoffdünger werden. Die hohe Konzentration negativer Sauerstoffionen, die durch Blitze erzeugt werden, kann die Luft desinfizieren und reinigen, sodass sich die Menschen entspannt und erfrischt fühlen. Darüber hinaus kann Blitzschlag das biologische Wachstum fördern.

Bis heute gibt es noch viele ungelöste Rätsel rund um Blitze, die darauf warten, von uns erforscht zu werden, und die Wissenschaftler haben nie aufgehört, Blitze zu erforschen.

Autor: Zhang Junchao, Aerospace New Meteorological Technology Co., Ltd.

Dai Yunwei, Meteorologisches Film- und Fernsehzentrum, Chinesische Meteorologische Verwaltung

Herausgeber: Dong Xiaoxian