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
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