Gewitter und Schutz
Es ist Sommer, du stehst mit deinem Team auf dem Fußballplatz in Essen. Der Himmel wird dunkel, ein Blitz zuckt, einige Sekunden später grollt der Donner. Wie weit ist das Gewitter noch weg? Und wo bist du jetzt am sichersten? Das klären wir in diesem Apartment Schritt für Schritt.
Wie entsteht ein Gewitter?
In einer Gewitterwolke steigt warme, feuchte Luft schnell nach oben. Eiskristalle und Wassertropfen werden durcheinandergewirbelt, reiben aneinander und stoßen zusammen. Dabei werden Elektronen übertragen, genau wie beim Aufladen eines Luftballons am Wollpullover (Kontaktelektrizität). Durch die Ladungstrennung entsteht eine elektrische Spannung, die man mit einem Spannungsmessgerät in Volt (V) misst.
Die Folge ist eine Ladungstrennung: Im oberen Teil der Wolke sammeln sich meist positive Ladungen, im unteren Teil negative. Durch die negative Wolkenunterseite sammeln sich im Erdboden darunter positive Ladungen. Zwischen Wolke und Erde (oder zwischen zwei Wolkenteilen) entsteht eine sehr hohe elektrische Spannung.
Bei einem Gewitter laden sich Wolken elektrisch auf. a) Wodurch entsteht in der Wolke die Ladungstrennung (in einfachen Worten)? b) Was ist ein Blitz physikalisch…
Bei einem Gewitter laden sich Wolken elektrisch auf.
- a) Wodurch entsteht in der Wolke die Ladungstrennung (in einfachen Worten)?
- b) Was ist ein Blitz physikalisch gesehen?
Der Blitz als Ladungsausgleich
Wird die Spannung zwischen den getrennten Ladungen zu groß, leitet die Luft plötzlich: Die Elektronen fließen in einem kurzen, sehr starken Stromstoß vom negativen Bereich zum positiven Bereich. So gleichen sich die Ladungen aus. Das ist ein Blitz.
Die Luft im Blitzkanal wird in Sekundenbruchteilen extrem heiß und dehnt sich explosionsartig aus. Diese Druckwelle breitet sich als Schall aus: Wir hören den Donner.
Blitz und Donner: Wie weit ist das Gewitter weg?
Licht ist extrem schnell: $c = 300.000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$. Schall ist viel langsamer: in Luft etwa $340\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Deshalb siehst du den Blitz sofort, hörst den Donner aber später. Je größer die Pause, desto weiter ist das Gewitter entfernt.
Du siehst einen Blitz und hörst erst später den Donner. a) Warum hörst du den Donner später? b) Welche Entfernung hat ein Gewitter, wenn zwischen Blitz und Donner…
Du siehst einen Blitz und hörst erst später den Donner.
- a) Warum hörst du den Donner später?
- b) Welche Entfernung hat ein Gewitter, wenn zwischen Blitz und Donner $6\,\text{s}$ vergehen? Rechne mit $340\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Zwischen Blitz und Donner vergehen zunächst $15\,\text{s}$, später $9\,\text{s}$. a) Berechne beide Entfernungen ($v = 340\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$). b) Nähert sich…
Zwischen Blitz und Donner vergehen zunächst $15\,\text{s}$, später $9\,\text{s}$.
- a) Berechne beide Entfernungen ($v = 340\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$).
- b) Nähert sich das Gewitter oder entfernt es sich? Mit welcher Geschwindigkeit, wenn $2\,\text{min}$ zwischen den Messungen liegen?
Die Entfernung eines Gewitters wird oft mit der Faustregel „Sekunden geteilt durch 3 ergibt Kilometer“ geschätzt. a) Begründe die Regel rechnerisch (…
Die Entfernung eines Gewitters wird oft mit der Faustregel „Sekunden geteilt durch 3 ergibt Kilometer“ geschätzt.
- a) Begründe die Regel rechnerisch ($v_\text{Schall} = 340\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$).
- b) Warum darf man die Laufzeit des Lichts vernachlässigen? Rechne für $2\,\text{km}$ mit $c = 300.000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.
Schutz: Blitzableiter und faradayscher Käfig
Blitzableiter
Ein Blitzableiter ist eine Metallstange auf dem höchsten Punkt eines Gebäudes, zum Beispiel am Kirchturm oder auf dem Schuldach. Sie ist durch einen dicken Draht gut leitend mit der Erde verbunden. Schlägt der Blitz ein, fließt der Strom über den Draht in den Boden. Das Gebäude selbst bleibt unbeschädigt, weil der Strom nicht durch Mauern oder Dachbalken muss.
Die Verbindung muss gut leitend sein, damit der riesige Strom leicht abfließen kann. Bei schlechter Leitung würde sich der Draht stark erhitzen und der Strom könnte sich andere Wege suchen.
Faradayscher Käfig
Ein geschlossener Metallkäfig oder eine Metallhülle schützt das Innere vor elektrischen Feldern. Trifft ein Blitz, fließen die Ladungen nur auf der Außenseite der Hülle entlang und gleichen sich dort aus. Im Inneren tritt keine gefährliche Spannung auf. Ein Auto oder ein Flugzeug wirkt als faradayscher Käfig.
Auch ein Metallgitter wirkt fast so gut wie eine geschlossene Hülle: Die Ladungen verteilen sich auf dem leitenden Gitter, und die Maschen sind klein im Vergleich zur Reichweite der Felder. Kleine Lücken stören kaum. Dagegen können Radiowellen und Handysignale durch Metallhüllen abgeschwächt werden. Deshalb sind Empfang und Handy im Auto manchmal gestört.
Auf dem Dach der Schule in Dortmund ist ein Blitzableiter angebracht. a) Erkläre seine Funktion. b) Warum muss er gut leitend mit der Erde verbunden sein?
Auf dem Dach der Schule in Dortmund ist ein Blitzableiter angebracht.
- a) Erkläre seine Funktion.
- b) Warum muss er gut leitend mit der Erde verbunden sein?
Ein Auto wird auf der Autobahn von einem Blitz getroffen. Die Insassen bleiben unverletzt. a) Wie heißt das Prinzip, das sie schützt? b) Erkläre, warum im Inneren keine…
Ein Auto wird auf der Autobahn von einem Blitz getroffen. Die Insassen bleiben unverletzt.
- a) Wie heißt das Prinzip, das sie schützt?
- b) Erkläre, warum im Inneren keine gefährliche Spannung auftritt.
Ein Flugzeug wird häufig vom Blitz getroffen, ohne dass Passagiere zu Schaden kommen. a) Begründe dies mit dem Faradayschen Käfig. b) Warum ist ein Käfig aus…
Ein Flugzeug wird häufig vom Blitz getroffen, ohne dass Passagiere zu Schaden kommen.
- a) Begründe dies mit dem Faradayschen Käfig.
- b) Warum ist ein Käfig aus Metallgitter ähnlich wirksam wie eine geschlossene Metallhülle?
- c) Warum können dennoch Radio und Handy im Auto gestört sein?
Verhalten bei Gewitter
Wenn du keinen Schutz in einem Gebäude oder Auto hast, gelten diese Regeln:
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Verlasse Freibad, Fußballplatz, Gipfel und Wasser sofort.
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Meide einzeln stehende Bäume, Masten und freie Flächen. Auch der Abstand zu Bäumen sollte mindestens einige Meter betragen.
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Suche ein festes Gebäude oder ein Auto mit geschlossener Metallkarosserie.
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Wenn nichts da ist: Geh in die Hocke, Füße eng zusammen, Hände nicht am Boden.
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Wenn du in einer Gruppe bist, halte mehrere Meter Abstand zueinander.
Schrittspannung
Schlägt der Blitz in den Boden, breitet sich der Strom im Erdreich kreisförmig aus. Zwischen zwei Punkten des Bodens besteht deshalb eine Spannung, die mit dem Abstand zum Einschlagsort wächst. Stehst du mit weit auseinanderstehenden Füßen, liegt zwischen ihnen eine Schrittspannung. Es kann ein Strom durch deinen Körper fließen. Stellst du die Füße eng zusammen, ist die Spannung zwischen ihnen sehr klein.
Wer sich flach auf den Boden legt, hat einen großen Teil des Körpers am Boden: Die Spannung zwischen Kopf und Füßen kann dann hoch sein. Außerdem ist es keine gute Idee, unter einer einzelnen Eiche zu stehen: Der Baum ist der höchste Punkt, der Blitz schlägt dort bevorzugt ein, und der Strom kann auf Menschen überspringen.
Nenne drei Verhaltensregeln bei einem Gewitter im Freien.
Nenne drei Verhaltensregeln bei einem Gewitter im Freien.
Eine Wandergruppe in der Eifel wird von einem Gewitter überrascht. Eine Person will sich unter eine einzeln stehende Eiche stellen, eine andere will sich flach auf den…
Eine Wandergruppe in der Eifel wird von einem Gewitter überrascht. Eine Person will sich unter eine einzeln stehende Eiche stellen, eine andere will sich flach auf den Boden legen, eine dritte will mit geschlossenen Füßen in die Hocke gehen.
- a) Beurteile jede Idee.
- b) Erkläre, was Schrittspannung ist und warum man die Füße eng zusammenstellt.
Zurück zum Anfang: Auf dem Fußballplatz zählst du die Sekunden zwischen Blitz und Donner und teilst durch 3. Bei $9\,\text{s}$ ist das Gewitter etwa $3\,\text{km}$ entfernt. Du gehst sofort in ein festes Gebäude oder ins Auto.