Verdunkeln dicke Gewitterwolken den Himmel, ist es sehr wahrscheinlich, dass aus diesen früher oder später Blitze herabgeschossen kommen. Sie sind die Folge elektrostatischer Aufladungen der Wassertropfen, die für die Wolkenbildung verantwortlich sind. Doch bislang entzog sich die Ursache für ihr Aussehen der wissenschaftlichen Kenntnis. Aber jetzt gibt es endlich eine Erklärung für ihre vielen Zacken.

Blitze: Kollision aus Elektronen und Molekülen sorgt für Optik

Der australische Physiker Dr. John Lowke und sein Kollege Endre Szili haben sich für eine neue Studie Blitze genauer angeschaut. Dem sind Beobachtungen mit Hochgeschwindigkeitskameras vorausgegangen, die zeigten, wie sich ein Blitz den Weg zum Erdboden bahnt.

Dabei war zu sehen, dass sich ein Blitz in mehreren einzeln erkennbaren und voneinander getrennten Abschnitten (Lowke nennt sie Stufen) formiert. Diese können jeweils eine Länge von etwa 50 Metern haben und erscheinen für nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde, ehe sie sich für genauso kurze Zeit verdunkeln. Dann entsteht eine weitere Stufe. Dieser Verkettung wiederholt sich, bis der Blitz sein Ziel erreicht hat.

Aber wie können sich diese Stufen mittels einer kontinuierlichen elektrischen Verbindung überhaupt bilden, wenn es doch zwischendrin Phasen der Dunkelheit gibt? Für Lowke und Szili sind Elektronen dafür verantwortlich, die mit Molekülen zusammenprallen.

Elektrisch leitfähige Luft

Konkret geht es um metastabile Singulett-Delta-Sauerstoffmoleküle. Diese verfügen über sehr viel Energie und entstehen, wenn Elektronen mit Sauerstoffmolekülen zusammenstoßen. Dadurch müssen sich die Elektronen ablösen und das elektrische Feld neu verteilen.

Das Resultat ist eine leitfähige Ladung, die ihre Verbindung mit der Wolke aufrechterhält, während sich die Stufen des Blitzes bilden, auch wenn er sich verdunkelt. Begünstigt wird der Vorgang durch den angeregten Zustand der Sauerstoffmoleküle, der sie in einen metastabilen Zustand versetzt. Bei ausreichend großer Anzahl kann das dafür sorgen, dass die Luft Elektrizität leiten kann.

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Wichtige Erkenntnisse für Sicherheit möglich

Wie Lowke also zusammenfasst, entstehen die Blitz-Stufen (und damit ihre Zacken), wenn ausreichend metastabile Zustände erzeugt werden, um eine signifikant große Anzahl an Elektronen loszulösen. Im dunklen Abschnitt einer Stufe nimmt die Dichte an metastabilen Zuständen und Elektronen zu.

Nach einem 50 Millionstel einer Sekunde kann die Stufe Elektrizität leiten. An der Spitze der Stufe erreicht das elektrische Potenzial das Niveau der Wolke und produziert eine weitere Stufe.

Den Wissenschaftlern zufolge können neue Erkenntnisse zu Blitzen dabei helfen, für mehr Sicherheit im Alltag zu sorgen und den Schutz für Gebäude, Flugzeuge und letztendlich Menschen zu verbessern.

Quelle: „Toward a theory of „stepped-leaders“ of lightning“ (Journal of Physics D: Applied Physics, 2022)

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