Blitz und Donner:

Eine mögliche Energiequelle oder doch nur ein Hochspannungsspektakel ?

Prof. Dr.-Ing. Thomas Betz

Hochschule Darmstadt,

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet Hochspannungstechnik und elektr. Anlagen

Centralstation, 15. Oktober 2012

Das Phänomen Blitz und Donner ..

.. war schon in der Antike ein bedeutendes Thema

Auch in der Mythologie machte man die Götter für die Blitze verantwortlich, z. B. soll Jupiter Blitze geschleudert haben ..

Sokrates beispielsweise erklärte sich den Blitz als einen trockenen Wind, der von den Wolken eingepresst wird und sich beim Ausbrechen entzündet

Quelle: Das große Buch der Elektrizität von Ernst Peter Fischer: Darstellung von Jean-Baptiste Joseph (1762-1834)

Das Einfangen von Blitzen …

wurde schon vor hunderten von Jahren versucht:

Erster Blitzableiter => BLitzschutz:

Erfunden 1752 durch Benjamin Franklin, siehe auch Illustration rechts: Einfangen des Blitzes durch einen Drachen, in Realität durch eine Metallstange

Es gibt dazu wenig Berichte, weil die Blitzforscher ..

Erste Blitzschutzlösungen in USA und DE

1760 installierte Benjamin Franklin die erste Blitz-ableiterstange auf dem Haus des Malers B. West

G. Ch. Lichtenberg verfaßte 1778 die Verhaltensregeln für Blitzschutz (Dachfirst !)

Benjamin Franklin (1706 – 1790)

Quelle:

Fischer: Buch

der Elektrizität

Quelle:

Hasse/Wies.:

Blitzschutz ..

Erster Blitzschutz in Deutschland

1770 wurde in Hamburg auf dem Turm der Jakobi-Kirche der erste Blitzableiter installiert.

Der Wetterhahn als Blitzableiter:

Beispiel: All Saints Church von Underbarrow (Cumbria, britischer Lake District)

Flächendeckende Blitzerfassung in DE

Messung der von Blitzen abgestrahlten elektromagnetischen Feldern mit einer Antenne

Bezug zu Darmstadt: Hochspannungs-institut der TH Darmstadt entwickelt 1960 ff ein Meßverfahren und errichtet ein flächendeckendes Zählernetz in Deutschland.

Erfassungsbereich einer Antennenanordnung: 1000 km2

Siebfrequenz: 500 Hz, Schwellwert: 5 V/m. Quelle: Hasse/Wiesinger

Anzahl Blitze am Beispiel Gewitterfront Gewitterfront am 26. Mai 2003, von West nach Ost

ziehend, flächendeckend über Euopa

Fazit: Über einen Zeitraum von 24 Stunden: 83641 Blitze

Quelle: Hasse/Wiesinger, EUCLID

Satellitenaufnahmen von NachtgewitternDie Konzentration von Blitzen auf Kontinenten ist um den

Faktor 5 bis 10 höher als über den Meeren

Globale Messungen von 1977 bis 1982 ergaben durchschnittlich 100 Blitzentladungen je Sekunde (Defence Meteorol. Satellite Progr.)

Anfang der 80er Jahre: EMC-Störsignale: 300 Entladungen je Sekunde

Untersuchungen zum Blitzverhalten

Triggerung von Blitzen durch Raketen

1966: Forschungsschiff “Thunderbolt”: Rakete wird in Richtung der Gewitterwolke geschossen und zieht einen dünnen Stahldraht mit sich. Dadurch kann man den Blitz direkt triggern, der Strom fließt über den Draht zur Erde. Am Fußpunkt kann man den Stromverlauf detektieren und somit das Verhalten hin-sichtlich Blitzstromamplitude, Dauer und Frequenz ermitteln.

Triggerung eines Blitzes. Quelle: Hasse/Wiesinger

Entstehung Gewitterwolke

Quelle: Küchler

Sommergewitter bzw. sich übereinander schiebende Kalt-und Warmfronten erzeugen:

Vertikale Aufwinde (warme/feuchte Luft) mit bis zu 100 km/h => Ladungstrennung

In Höhen > 5 km bilden sich aus Wassertröpfchen Eiskristalle, die sich vorwiegend positiv aufladen

Aufsteigende feuchte Luft kühlt sich ab, kondensiert, und negativ geladene (schwerere) Wassertröpfchen sinken in niedrigere Höhen

Erfahrungswert bzgl. Gewitterzelle:

2-4 Blitze / Minute bei ca. 30 Min. Aktivität

Erklärung Ladung, Feldstärke (Versuch 1)

Ladung

Feldstärke

Blitzstrommessungen an hohen Türmen

Messungen am Rundfunkturm auf dem Monte San Salvatore durch Prof. Berger

1942: Einrichtung der Meßstation: Über 30 Jahre Erfassung von Blitzströmen

Blitzeinschläge wurden fotografiert: Kamera mit beweglicher Linse. Somit konnten zeitlich aufgelöste Bilder der Blitzentwicklung gemacht werden.

Weiterentwicklung: Objektiv ruht, Film wird mit Hilfe einer rotierenden Trommel vorbeibewegt.

Rundfunkturm am Luganer See.

Quelle: Hasse/Wiesinger

Blitzentstehung: zeitlicher Verlauf

Messung der Blitzentwicklung mit rotierender Linse

1936: Eachron fotografiert multiplen Blitzeinschlag (mit 11 Teilblitzen) am

Empire State Building

Folgeblitz zündet im vorhandenen Entladungskanal Zeitlicher Abstand zwischen 2 Blitzen: 10... 50 s (s = 1 Millionstel Sekunde) Leaderentladungen wachsen um 10... 100 m weiter voran (Ruckstufen, stepped leader)

Erstblitze und Folgeblitze

AsmsAskA 5,250505050

BlitzeAs

As10

5,2

24

AsmsA

skA

1050200

50200

Nach dem Erstblitz: 10... 100 ms Pause: Ladung fließt nach. Entladungskanal ist noch aufgeheizt => Folgeentladungen /Folgeblitze. Leitentladung startet ohne Ruckstufen, danach Hauptentladung . Die Scheitelwerte der Folgestoßströme sind geringer. Für negative Abwärtsblitze sind etwa 10 Folgeblitze typisch (max. 40) Positive Blitze haben große Amplituden, aber keine Folgeblitze

Blitzentstehung: zeitlicher Verlauf

Leitstrahl Licht- und

stromschwache Entladung

Leitstrahl stellt beim Vorwachsen den Kanal des nächsten Teilblitzes her

Fangstrahl Wächst dem

Leitstrahl von der Erde aus entgegen

Hauptstrahl Entsteht aus dem

Leitstrahl und ist licht- und stromstark

Teilblitz Einmaliger Stromfluss

innerhalb des Hauptstrahls

Folgeblitze Mehrmaliger lichtstarker

Stromfluss innerhalb des gleichen Kanals

Blitzentladung erfolgt in Stufen

Wir wissen: Hohe Ladungsdichte erzeugt eine hohe Feldstärke (lokal an der Wolke)

E ↑ Teildurchschlag in Luft Ladung fließt nach Erzeugung hohes E Nächster

Teildurchschlag

Blitzentladung erfolgt in Stufen

Ladungsnachschub erzeugt sukzessiv wandernde hohe Feldstärke => Ruckstufen

Ladungstransport durch ionisierte Luft

Am Ende der ersten Teilstrecke entsteht wieder hohes

Nächster Teildurchschlag

Blitzeinschlag zur Erde

Erklärung Ruckstufen der Blitzentladug (Versuch 2)

Ionisierung

Teilentladung in Luft