Ladungstrennung in der Wolke

Woher kommt die Ladung? In der Wolke ist keine Batterie versteckt — aber ein Förderband. Gewitterwolken sind Türme aus aufsteigender Luft: Warme, feuchte Luft schießt mit bis zu 100 km/h nach oben, kühlt ab, und aus Tröpfchen werden Eisteilchen. Zwei Sorten davon spielen die Hauptrolle: schwere, matschige Graupelkörner, die nach unten sinken, und winzige, leichte Eiskristalle, die der Aufwind nach oben reißt.

Halte kurz inne: Was passiert, wenn beide Sorten mitten im Aufwind zusammenstoßen — millionenfach, Sekunde für Sekunde?

Bei jedem Zusammenstoß wechselt ein winziger Teil Ladung den Besitzer. Dort, wo Gewitter sich aufladen, kälter als etwa −10 °C, bleibt die negative Ladung meist am Graupelkorn: Der Graupel wird negativ, der Eiskristall positiv. Warum genau, ist bis heute Gegenstand der Forschung; dass es so ist, zeigen Laborversuche mit Graupel und Eis (Takahashi 1978). Und jetzt kommt der Trick: Schwerkraft und Aufwind sortieren die beiden. Die positiven Kristalle sammeln sich oben in der Wolke, der negative Graupel im unteren Teil. Aus Milliarden winziger Stöße wird eine großräumige Ladungstrennung, ohne dass irgendjemand Ladung „nachfüllt".

Von unten betrachtet ist die Lage jetzt vertraut: oben eine ausgedehnte negative Ladung, unten der Erdboden — zwei „Platten". Das Lehrbuchmodell gibt ihnen den Abstand d = 1 km und eine Fläche von rund 45 km², ein Quadrat von knapp 7 km Seitenlänge. Das Feld dazwischen ist dann näherungsweise homogen, wie im Plattenkondensator aus dem Labor, wo 1 kV an 1 cm Plattenabstand ein Feld von 100 kV/m ergibt. In echten Wolken sitzt die negative Ladung meist höher, einige Kilometer über dem Boden; für Größenordnungen reicht das Modell.

Aber Moment — der Erdboden war doch neutral? Er ist auch nicht angeschlossen. Sage voraus: Passiert am Boden trotzdem etwas?

Lies zuerst die Anzeigen bei Q = 40 C ab, einer typischen Ladung im unteren Teil einer Gewitterzelle: E = 100 kV/m und U = 100 MV. Die Probe mit U = E · d: 100 kV/m mal 1000 m sind 100 Millionen Volt — genau die Zahl der Ballonsonden. Halbierst du Q, halbieren sich E und U, und es bleiben weniger Feldlinien übrig: Die Dichte der Linien zeigt die Feldstärke.

Am Boden passiert dasselbe wie beim Elektroskop, dem du im Labor begegnet bist: Nähert man einem Leiter einen geladenen Körper, verschieben sich seine frei beweglichen Elektronen — ohne Berührung, und der Zeiger schlägt aus. Der Erdboden ist ein (mäßiger, aber riesiger) Leiter. Die negative Wolkenladung drückt seine Elektronen weg; direkt unter der Wolke bleibt eine positiv geladene Bodenfläche zurück. Das ist Influenz — derselbe Versuch, nur dass der „geriebene Stab" diesmal eine Wolke ist und die Influenzfläche ein ganzes Stadtviertel. Auf ihr beginnen die Feldlinien der Figur, die oben an der Wolkenladung enden: Das Feld hängt nicht im Nichts, es spannt sich von Ladung zu Ladung.

Damit ist auch eine verbreitete Vorstellung erledigt: dass ein Blitz die Ladung „verbraucht". Ladung wird niemals verbraucht — sie wird getrennt, verschoben, wieder zusammengeführt. Ein einzelner Blitzschlag bringt rund 5 C zum Boden, ein Achtel der 40 C. Solange das Förderband aus Graupel und Kristallen läuft, lädt die Wolke den Kondensator immer wieder nach; deshalb blitzt es nicht einmal, sondern dutzendfach. Bleibt die Frage: Sind 100 kV/m viel? Wie groß darf E werden, bevor die Luft nachgibt?