Spitzen und Blitzableiter

Bleibt ein Widerspruch: Das mittlere Feld unter der Wolke, 100 kV/m, ist ein Dreißigstel der Durchbruchfeldstärke von 3 000 kV/m. Trotzdem blitzt es. Die Lösung steckt in zwei Eigenschaften von Feldlinien, die du aus dem Feldkapitel kennst: Auf der Oberfläche eines Leiters stehen sie senkrecht, und ihre Dichte zeigt die Feldstärke — in der Wolke waren es bei 40 C fünf Linien, bei 20 C drei.

Ein Turm ist ein Stück Erdboden, das in die Höhe ragt. Er ist mit dem Boden leitend verbunden, und die positive Influenzladung sammelt sich an seiner Spitze. Die Feldlinien, die sonst auf einer breiten Bodenfläche geendet hätten, müssen jetzt senkrecht auf der kleinen Spitze ankommen. Sie drängen sich dort zusammen, und dichte Feldlinien bedeuten eine große Feldstärke. Um welchen Faktor das Feld an der Spitze größer ist als das Feld E₀, das ohne Turm dort herrschen würde, heißt Überhöhungsfaktor γ (gesprochen „gamma"): E_S = γ · E₀. Sage voraus: Wächst γ mit der Höhe des Turms?

Bei h = 30 m zeigt die Figur γ = 20,3 und E_S = 2 034 kV/m: An der Spitze ist das Feld zwanzigmal so groß wie daneben, aber noch unter der Schwelle. Ab h ≈ 52 m ist γ ≈ 30, die Schwelle ist erreicht, und an der Spitze springt eine kleine Entladung nach oben. Ein Turm von 100 m bringt es auf γ = 49,3 und knapp 4 930 kV/m. Die Rechnung nimmt eine abgerundete Spitze mit 1 m Krümmungsradius an; eine schärfere Spitze überhöht noch stärker. „Der Blitz nimmt den kürzesten Weg", heißt es oft. Rechne nach: Der 100-m-Turm verkürzt den Weg zur Wolke von 1 000 m auf 900 m, um ein Zehntel. Das Feld an seiner Spitze aber ist fast fünfzigmal so groß. Nicht der kürzere Weg entscheidet, sondern die Überhöhung.

Ganz so einfach ist es in der Natur nicht. Echte Spitzen sprühen schon vorher Ladung ab — an Schiffsmasten und Gipfelkreuzen ist das als bläuliches Elmsfeuer zu sehen. Diese Ladung schirmt die Spitze ab, und am Boden unter Gewittern misst man meist nur 5 bis 10 kV/m. Richtig hoch steigt das Feld an der Spitze erst, wenn von oben ein Blitzkanal herankommt.

Denn der Blitz beginnt in der Wolke. Ein Leitblitz tastet sich in Stufen von rund 50 m nach unten. Seine Spitze trägt die Ladung der Wolke mit und ist selbst eine Spitze, an der das Feld überhöht ist; so frisst er sich durch Luft, deren mittleres Feld nie durchschlagen würde. Je näher er kommt, desto größer wird E₀ am Boden. Schiebe in der Figur E₀ hoch: Der gestrichelte Leitblitz rückt herab. Stelle dann h = 10 m ein, einen Baum: Ab E₀ = 310 kV/m erreicht auch er die Schwelle, und von seiner Spitze startet eine Fangentladung nach oben. Wo sie den Leitblitz trifft, ist der Kanal geschlossen, und der Hauptstrom fließt.

Der Blitzableiter dreht diese Physik in Schutz um: eine absichtlich hoch angebrachte Metallspitze, an der die Fangentladung früher startet als an Dachkanten und Kaminen. Schlägt der Blitz ein, führt ein dicker Leiter den Strom außen am Haus vorbei in die Erde. Er zieht keine Blitze aus der Ferne an; er entscheidet nur, wo im Umkreis von einigen zehn Metern der Kanal endet. Offen bleibt, was mit dem geschieht, der in der Nähe ist: unter einem Baum, oder im Auto mit seinen Gummireifen.