Eine mögliche Energiequelle oder doch nur ein Hochspannungsspektakel ? 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 Sokrates beispielsweise erklärte sich den Blitz als einen trockenen Wind, der von den Wolken eingepresst wird und sich beim Ausbrechen entzündet Auch in der Mythologie machte man die Götter für die Blitze verantwortlich, z. B. soll Jupiter Blitze geschleudert haben .. 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: Es gibt dazu wenig Berichte, weil die Blitzforscher .. Erster Blitzableiter => BLitzschutz: Erfunden 1752 durch Benjamin Franklin, siehe auch Illustration rechts: Einfangen des Blitzes durch einen Drachen, in Realität durch eine Metallstange

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 Nachtgewittern Die 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 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 Quelle: Küchler

Erklärung Ladung, Feldstärke (Versuch 1)

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

Erstblitze und Folgeblitze 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 Teilblitz Einmaliger Stromfluss innerhalb des Hauptstrahls Folgeblitze Mehrmaliger lichtstarker Stromfluss innerhalb des gleichen Kanals Hauptstrahl Entsteht aus dem Leitstrahl und ist licht- und stromstark

Blitzentladung erfolgt in Stufen 3/27/2017 Blitzentladung erfolgt in Stufen Wir wissen: Hohe Ladungsdichte erzeugt eine hohe Feldstärke (lokal an der Wolke) Teildurchschlag in Luft Ladung fließt nach Erzeugung hohes E Nächster Teildurchschlag E ↑

Blitzentladung erfolgt in Stufen 3/27/2017 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