Man unterscheidet mehrere, z.T. zusammenwirkende Ursachen der Entstehung von Gewittern. Wärmegewitter bilden sich durch Labilisierung ausreichend feuchter Luft infolge kräftiger Sonneneinstrahlung und anschließender massiver Konvektion in darüber liegende, kältere Luftschichten. Bei Frontgewittern werden die Hebungs- oder Umlagerungsprozesse durch dynamische Effekte verursacht, meist im Bereich von Kaltfronten, wenn sich Kaltluft am Boden unter die wärmere Luft schiebt und diese zum raschen Aufsteigen zwingt oder wenn in der Höhe Kaltluftadvektion stattfindet und sich der vertikale Temperaturgradient verschärft. Labilisierung kann auch durch orographische Hebung beim Überströmen von Gebirgen erzielt werden.

In jedem Falle entstehen weit in die Troposphäre aufragende Quellwolken, sogenannte "Cumulonimben". Gewitter werden stets von Blitzen als elektromagnetische und Donner als akustische Phänomene begleitet. Blitze entstehen in sich hoch auftürmenden Gewitterwolken infolge von Ladungstrennung durch Reibung von Wolkenpartikeln. Jedoch sind die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse bis heute nicht vollständig geklärt. Aufgrund mechanischer Wechselwirkung innerhalb einer Gewitterwolke laden sich bei Temperaturen weniger als -15 °C die Graupelkörner negativ auf, die Eiskristalle hingegen positiv. Bei höheren Temperaturen erfolgt die Aufladung beider Arten von Wolkenpartikeln mit jeweils umgekehrten Vorzeichen.

In Abhängigkeit vom vertikalen Temperaturverlauf innerhalb der Gewitterwolke bildet sich eine "sandwichartige" Ladungsstruktur, positiv bzw. negativ geladene Wolkenschichten folgen jeweils aufeinander. Allerdings sind die in Gewitterwolken gemessenen elektrischen Feldstärken zu gering, als dass die Luft ionisiert und damit elektrisch leitend würde, und sich die Ladungsunterschiede spontan in Form von Blitzen entladen könnten. Einige amerikanische Physiker vertreten daher die Theorie, dass die Ionisierung der Luftmoleküle durch hochenergetische, sog. schnelle Elektronen, die in der kosmischen Höhenstrahlung vorkommen, bewirkt wird.

Wenn die elektrische Feldstärke zu groß wird und ein "Durchschlag" des Dielektrikums Luft unmittelbar bevor steht, bildet sich zunächst ein Blitzkanal aus ionisierter Luft (Plasma), in der ein negativ geladener Leitblitz sich mit ca. einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Vom positiv geladenen Gegenpol (Erdboden oder Wolke) eilt ihm eine entsprechende "Fangentladung" entgegen. Nun können sich die Potentialunterschiede mit aller Macht ausgleichen - negative Ladungen strömen zum Erdboden bzw. zu positiv geladenen Regionen der Wolke und umgekehrt - es blitzt.

Die plötzliche und starke Erhitzung der Luft im Blitzkanal (in Sekundenbruchteilen auf einige zehntausend Grad) infolge des hohen Stromflusses bewirkt ihre explosionsartige Ausdehnung. Der damit einher gehende Druckanstieg erregt eine Schockwelle, die sich in der unmittelbaren Umgebung des Blitzes als scharfer Knall ("Donnerschlag") bemerkbar macht. Verschiedene Laufzeiten von unterschiedlichen Punkten des Blitzkanals verursachen das "Donnerrollen" durch Überlagerung der Schallwellen.

Dipl.-Met. Thomas Ruppert

Deutscher Wetterdienst
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Offenbach, den 24.05.2018

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