Gewitter

Gewitter (hierzu Tafel »Gewitter«), die mit sichtbaren (Blitz) und hörbaren (Donner) elektrischen Entladungen verbundenen Kondensationsvorgänge des atmosphärischen Wasserdampfes (Regen, Hagel, Graupel etc.). Früher sah man Blitz und Donner als Haupt-, den Regen als Nebenerscheinung an, weil man nach nicht wußte, daß große elektrische Spannungen an die Kondensation des Wasserdampfes und deren Erzeugnisse gebunden sind, während diese auch ohne Entladungserscheinungen auftreten können. Über den Ursprung der atmosphärischen Elektrizität s. Luftelektrizität. Zu einem vollständigen G. gehört Regen (Schnee), Blitz und Donner.

Der Blitz wurde bis ins 18. Jahrh. nach der Lehre des Aristoteles für eine Entzündung brennbarer Dünste gehalten, durch deren Explosion der Donner und die Blitzschäden entstehen. Jetzt weiß man, daß die Blitze elektrische Entladungen zwischen Wolke und Erde oder von Wolke zu Wolke sind oder genauer Luftfäden, die durch elektrische Entladungen glühend und leuchtend wurden. Sobald die elektrische Spannung zwischen Wolke und Erde oder Wolke und Wolke so angewachsen ist, daß der Widerstand der dazwischen befindlichen Luft überwunden werden kann, findet eine Funkenentladung statt; andernfalls kann ein Ausgleich auch durch allmähliches diffuses Ausströmen der entgegengesetzten Elektrizitäten (Glimmentladung, Elmsfeuer etc.) erfolgen. Der Blitz bezeichnet die Stelle, wo er den Boden trifft, durch mehr oder minder tiefe Löcher. Seine Wirkungen beim Einschlagen sind mechanische, wie sie sich in der Zertrümmerung von Gebäuden, Bäumen etc. zeigen, oder thermische, indem der Blitz brennbare Gegenstände entzündet (ein Blitz, der nicht zündet, heißt kalter Schlag), andre schmelzt, und physiologische, indem der Blitz Menschen und Tiere verletzt oder tötet (s. Blitzgefahr und Blitzröhren). Auch macht der Blitz eiserne und stählerne Gerätschaften, in deren Nähe er vorbeischlägt, magnetisch, kehrt die Pole von Bussolennadeln um und setzt die Galvanometer und Elektromagnete auf Telegraphenstationen in Tätigkeit. Auf seinem Weg erzeugt der Blitz Ozongeruch (von Unkundigen Schwefelgeruch genannt), indem er den Sauerstoff der Luft teilweise in Ozon umwandelt.

Die Blitze teilt man ein in: 1) Linien-, Funken- oder Zickzackblitze. Seit der Blitzphotographie erkannte man, daß der Blitz nicht im Zickzack, sondern in einer stark geschlängelten Bahn verläuft und oft so viel Zweige entsendet, daß er die Gestalt eines Flußsystems zeigt (Tafel, Fig. 2, 3 und 4). 2) Flächenblitze sind entweder Linienblitze, die hinter Wolken stattfinden und diese beleuchten, so daß man nicht die Blitze selbst, sondern nur ein diffuses Licht sieht, oder können auch durch Glimmentladung entstehen, die an der ganzen Oberfläche oder nur an einem Teil der Wolke stattfindet. 3) Perlschnurblitze; sie bestehen aus einer perlschnurartigen Aufreihung von Lichtpunkten, sind aber vielleicht keine Blitze, sondern nur ein Nachleuchten erhitzter Luftteile der Blitzbahn oder ein Nachfließen von Elektrizität. 4) Kugelblitze. Sie bilden faust- bis kindeskopfgroße leuchtende Kugeln, welche die merkwürdigsten Bahnen einschlagen und entweder geräuschlos verschwinden oder krachend explodieren. Zu den Linienblitzen gehören auch die Bandblitze (Tafel, Fig. 2), die auf Photogrammen nicht eine einzige Linie, sondern ein aus mehreren parallelen Blitzen bestehendes Band zeigen; sie werden als mehrfache Entladungen in demselben erhitzten Luftkanal angesehen, der durch den Wind zwischen jeder Entladung etwas seitwärts getrieben ist; bei einem solchen Blitz in Hamburg wurde die Breite des Bandes zu 10 m bestimmt.

Die Richtung der Blitze ist meist die von der Wolke zur Erde, während die umgekehrte wohl möglich, aber noch nicht einwandsfrei nachgewiesen ist; dagegen sind Blitze von Wolken aus nach oben sicher festgestellt worden. Auch ganz oder teilweise horizontal verlaufende Blitze hat man oft gesehen, die durch die Perspektive einem darunter stehenden Beobachter als nach oben gehend erscheinen können (Tafel, Fig. 3). In seltenern Fällen beschreiben Blitze eine Spirale, in deren Mitte sie, oft sternartig strahlend, verschwinden. Nur bei Kugelblitzen überwiegt, wenigstens im untern erdnahen Teile der Bahn, die horizontale Richtung. Die Geschwindigkeit der Blitze ist meist sehr klein (kaum ¹/₁₀₀₀ Sekunde), erreicht aber bei den Linienblitzen, wenn auch selten, eine Sekunde, bei den Kugelblitzen bisweilen Minuten. Die Länge der Blitze beträgt gewöhnlich 1–3 km, doch auch bis 10 km und mehr (in den Alpen ist ein horizontaler Blitz von 49 km Länge beobachtet worden). Die Stromstärke bei der Blitzentladung hat man auf verschiedene Methoden zu wenigstens 10,000 (Maximum 50,000), bei Kugelblitzen aber zu kaum 20 Ampere berechnet.

Das Spektrum der Flächenblitze ist ein Bandenspektrum, vorwiegend mit Stickstofflinien, während das Linienspektrum der Linienblitze daneben auch Wasserstoff und Sauerstoff erkennen läßt (s. Textfigur 1). Stickstoff und Wasserstoff geben glühend eine rötlichbläuliche Farbe, die tatsächlich bei den Linienblitzen häufig beobachtet wird, doch schwankt die Farbe der Blitze zwischen Weiß, Gelb, Rot und Blau. Ein Blitz ist rötlich, wenn die Erde den positiven Pol der Entladung, die Wolke den negativen bildet, bläulich, wenn die Erde negativ und die Wolke positiv ist. Die bisweilen auf Photogrammen wahrgenommenen »dunkeln« oder »schwarzen« Blitze (Tafel, Fig. 4) sind auch hell und werden durch einfache, der helle Hauptblitz durch doppelte Solarisation (s.d.) erklärt.

Fig. 1. Blitzspektrum.

Das sogen. Wetterleuchten, das man als blitzähnliches Aufleuchten der Wolken ohne Donner selbst bei ganz heiterm Himmel, meistens am Horizont oder in niedern Höhen, ausnahmsweise (in den Tropen öfter) auch in der Nähe des Zenits, meist nur im Dämmerlicht oder in der Nacht, selten am hellen Tag beobachtet, ist auch elektrischer Natur. Es gibt zwei Arten von Wetterleuchten: bei der einen handelt es sich um einen allmählichen elektrischen Ausgleich zwischen zwei Wolken (Glimmentladung), bei der andern um das Blitzen von einem fernen G.; letztere Art ist die häufigere. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles um so größer ist, je höher die Temperatur und die absolute Feuchtigkeit ist, so wird der von einem G. ausgehende Donner oben langsamer als in der Nähe der Erde fortschreiten; die kugelförmigen Schallwellen eilen unten schneller weiter als oben, und die darauf senkrecht stehenden Schallstrahlen werden (von unten gesehen) konvexe Kurven beschreiben. Der Donner ist also nur bis zu dem Punkte hörbar, wo die Schallstrahlen die Erdoberfläche tangential berühren; weiterhin entfernen sie sich von der Erde und bilden hier einen Schallschatten. Ein hier stehender Beobachter hört keinen Donner, weil ihn kein Schallstrahl mehr trifft, sieht aber noch den Blitz; besteigt man einen Turm oder Berg, so kann man oft noch in den Schallbereich kommen. Je höher die Schallquelle, um so größer die Schallweite; aber letztere wächst nur ums Doppelte, wenn erstere um das Vierfache zunimmt. Herrscht Temperaturumkehr (s.d.), so sind die Schallstrahlen konkav nach unten gekrümmt, und dann ist die Schallweite unbeschränkt. Geht der Donner mit dem Winde, so sind die Schallstrahlen konkav nach unten, entgegen dem Wind aber konvex.

Der Donner entsteht durch die Vibrationen der beim Überschlagen des Blitzes explosionsartig erschütterten Luft. Er entsteht gleichzeitig mit dem Blitz, wird aber später wahrgenommen, weil der Schall sich weit langsamer fortpflanzt als das Licht, und zwar wird der Beobachter den an dem nähern Ende der Bahn des Blitzes erzeugten Ton früher hören als den am entferntern Ende erzeugten. Deshalb ist der Donner gewöhnlich nicht ein momentaner Knall, sondern ein Rollen, das je nach der Länge des Blitzes und der Lage seiner Bahn zum Beobachter längere oder kürzere Zeit anhält. Bei schweren Gewittern geht dem eigentlichen Schlag ein knatterndes Prasseln voraus. An dem polternden Rollen des Donners, das oft so abnimmt, daß man es beendigt glaubt, dann aber wieder plötzlich stoßweise wächst, hat das Echo zwischen den Wolken wohl bedeutenden Anteil.

Fig. 2. Barogramm eines Gewitters.

Wegen der zickzackförmigen Gestalt des Blitzes sind meist mehrere Stellen seiner Bahn vom Beobachter gleichweit entfernt, und es kann also eine Verstärkung des Schalles durch das Zusammentreffen mehrerer gleichzeitig gehörter Schläge entstehen; auch wird wohl die Intensität der elektrischen Explosion nicht auf der ganzen Strecke, wo sie erregt wird, gleich sein, weshalb auch der Donner verschieden stark ausfallen wird. Die Dauer des Rollens ist sehr verschieden (bis zu 50 Sekunden). Der Zeitunterschied zwischen Blitz und Donner ergibt durch Multiplikation der Anzahl Sekunden mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles (330 m) die Länge der geraden Linie vom Ausgangspunkt des Donners bis zum Auge des Beobachters in Metern oder bei der Division der Zwischenzeit durch 3 in Kilometern, und diese Größe, mit dem Sinus der scheinbaren Winkelhöhe des Anfangspunktes vom Blitz multipliziert, gibt die senkrechte Höhe der Gewitterwolke über dem Erdboden. Man kann annehmen, daß Gewitterwolken fast nie die Höhe der Cirruswolken erreichen, selten höher als 5000 m über der Erdoberfläche dahinziehen, im Flachland durchschnittlich 1000 m hoch. Eine untere Grenze für die Höhe der G. ist nicht festzustellen, da bisweilen Gewitterwolken sich bis zur Höhe von Häusern oder Türmen herabsenken. In der Gewitterwolke selbst ist der Donner dumpf, wie von Pulver, das im Freien ohne Sprengung explodiert. Donner ohne Blitz ist zwar beobachtet worden, doch ist dann der in einer obern Wolkenschicht entstandene Blitz nur durch eine untere verdeckt gewesen. Donnerschläge bei vollkommen heiterm Himmel gehören vielleicht zu geologischen Erscheinungen, wenn man sie auch aus der Höhe zu hören glaubt (s. Nebelzerteiler). Der Donner ist nicht weithin hörbar (im Mittel 15 km); das größte Zeitintervall, das man bis jetzt zwischen Blitz und Donner beobachtet hat, beträgt 90 Sekunden, was auf eine Entfernung von etwa 30 km schließen läßt.

Gewitterbildung wird fast in allen Fällen herbeigeführt durch die Entstehung labilen Gleichgewichts in der Atmosphäre, deren Ursprung allerdings ein sehr verschiedener sein kann, nämlich 1) ungewöhnlich starke und schnelle Erwärmung der untersten Luftschichten; 2) intensive Abkühlung der obern Luftschichten (starke Ausstrahlung der Wolkendecke); 3) Verzögerung in der Veränderung des Aggregatzustandes bei Übersättigung der Luft mit Wasserdampf, oder durch Überkaltung des in der Luft in Wolkenform vorhandenen Wassers. Bei allen diesen Zuständen bilden sich infolge rasch aufsteigender Luftströme Kumuluswolken von mächtigen Dimensionen (bisweilen mehrere Kilometer stark). Dann erstreckt sich die Wolke über Schichten von großen Temperaturunterschieden, die z. T. bei der Bildung mit großen Geschwindigkeiten durcheilt worden sind, wobei leicht Vorgänge auftreten, die unter 3) gekennzeichnet wurden. Durch Beobachtungen bei Ballonfahrten ist aber unzweifelhaft dargetan, daß bei Temperaturen unter 0° Wolken vorkommen, die aus Wassertröpfchen bestehen. Tritt nun aus irgend welchem Anlaß eine Auslösung dieses Zustandes ein, so ist damit ein plötzliches Steigen des Luftdrucks mit schnell darauffolgendem Sinken verbunden; das nebenstehende Barogramm (Fig. 2) zeigt eine solche Erscheinung während eines Gewitters in Berlin nach den Angaben eines Barographen Sprung-Fueß. Diesen unregelmäßigen Verlauf der Luftdruckkurve bezeichnet man als Druckstufe oder Gewitternase.

Die Hauptentstehungsursache der G. ist die Überhitzung der untern Luftschichten; diese werden dadurch leichter als die obern und durchbrechen letztere, wenn die Temperaturabnahme nach obenhin auf je 100 m 3° erreicht hat. Die durch solche aufsteigenden Luftströme hervorgerufenen G. heißen Wärmegewitter im Gegensatze zu den Wirbelgewittern, die in größern flachen Depressionen entstehen, und zwar da, wo die Isobaren der Wetterkarten durch eine Ausbauchung (Gewittersack) nach dem hohen Druck hin eine Teildepression zeigen; nicht aber muß darum das G. selbst als Wirbel auftreten. Danach sind die Wärmegewitter von der täglichen Periode der Erwärmung abhängig und erreichen deshalb ihre größte Häufigkeit zur Zeit der größten Hitze: am Tage bald nach Mittag, im Jahre im Sommer. Sie treten häufig lokal auf, bilden rasch mächtige Wolkenmassen, entladen sich unter heftigem Regen oder Hagel und Blitzen, zerteilen sich aber meist ebenso schnell, wie sie sich zusammenzogen. Sie kühlen zwar die Luft durch kalten Regen oder Hagel und Verdunstung etwas ab, bringen aber gewöhnlich keine nachhaltige Temperaturerniedrigung und lassen sich wegen ihrer lokalen Entstehung nur schwer vorhersagen. Dagegen zeichnen sich die seltenern Wirbelgewitter, zu denen die meisten Wintergewitter gehören, in der Regel aus durch eine lange Gewitterfront, größere Zuggeschwindigkeit, Einleitung eines Wetterumschlages und leichtere Vorhersage, besonders wenn sich ein seiner getürmter Cirrostratus gezeigt hat (s. Wolken). Während die Front oft Hunderte von Kilometern lang sein kann, beträgt die Tiefe des Gewitterzuges meist kaum 50, selten 100 km. Außer den Wärme- und Wirbelgewittern gibt es noch G., deren Entstehungsursachen andre sein müssen, aber noch nicht völlig erkannt sind, so gewisse G. in den Alpen, bei denen es unten kalt und oben warm ist.

Das Herausziehen eines wohlausgebildeten sommerlichen Gewitters wird außer durch die schwüle (heiße und feuchte) Luft schon 1–2 Stunden vorher durch eine leichte Cirrostratusdecke, den Cirrusschirm (Tafel, Fig. 1, C), angekündigt, in der man oft Sonnenringe (s. Hof) beobachtet. Dann sieht man in der Ferne die eigentliche blauschwarze Gewitterwolke (K) sich höher und höher türmen, bis sie in ihren Einzelheiten deutlich erkennbar ist. Der vordere Rand, den man auch Gewitterkragen nennt, erscheint als ein massiger dunkler Wulst (W) von drohendem Aussehen; darüber sieht man oft leichte cirröse Wolken (F), die man falsche Cirren nennt, weil man sie wegen des Fehlens optischer Erscheinungen (Halos) als Wasserwolken und nicht als Eiswolken wie die echten Cirren ansieht. Ist der vordere Rand schon ziemlich oberhalb des Beobachters, so setzt aus der Richtung vom G. her ein heftiger Windstoß (Eilung) mit Staubböe (S) ein. Hierauf eilen unter der Gewitterwolke leichte gelbliche Wolken (B) rasch heran, die sich an der vordern Kante meist heben und dann oben gegen den untern Teil zurückbleiben, so daß sie einen kleinen horizontalen Wirbel beschreiben. Sobald sie dem Zenit nahe sind, fallen zuerst große Tropfen (geschmolzener Hagel), dann Hagel (H) selbst und Regen (R) unter lebhaftem, sich bis gegen Schluß des Gewitters oft steigerndem Blitzen und Donnern, wobei die anfängliche Dunkelheit rasch nachläßt und die Temperatur sinkt. Häufig folgt dem ersten Regenschauer (R) noch einer oder mehrere (R'), aber schwächere. Auf der Rückseite des Gewitters erscheint oft wieder der Cirrusschirm, bisweilen auch ein Cumulus mammatus (s. Wolken).

Über die geographische Verbreitung der G. ist aus außereuropäischen Ländern meist wenig oder nichts bekannt. Im allgemeinen nimmt die Häufigkeit und der Blitzreichtum der G. vom Äquator nach den Polen hin ab, doch gibt es auch in den Tropen ganz oder nahezu gewitterfreie Gegenden (Passatgürtel über den Meeren, die tropennahen Küsten von Südamerika und Westafrika, Wüsten). Am Rande hoher Gebirge sind die G. meist häufiger als in Innentälern und hier häufiger als in der Ebene. In den gemäßigten Zonen ziehen die G. gewöhnlich aus SW. bis NW., in den Tropen in der Regel vom Binnenlande nach der Küste zu. Die Zuggeschwindigkeit beträgt in Europa im Mittel 30–40 km in der Stunde, in Nordamerika vielleicht 50 km; sie ist durchschnittlich im Winter größer als im Sommer, nachts größer als tags. Als mittlere Dauer der G. kann man 1–1¹/₂ Stunde annehmen, demgemäß als mittlere Tiefe der Front 40 km.

Der jährliche Verlauf der G. geht in den Tropen und Subtropen dem des Regenfalles meist parallel, d. h. G. vorwiegend in den Regenzeiten. In West- und Mitteleuropa sind G. am häufigsten im Frühsommer (Juni, Juli), am seltensten im Winter (nur an den Küsten ist der Hochwinter etwas gewitterreicher als der Vor- und Nachwinter). Mitteleuropa zeigt ein doppeltes Maximum der Gewitterhäufigkeit in der ersten Juni- und zweiten Julihälfte. Im täglichen Verlauf der G. tritt die größte Häufigkeit in Mitteleuropa zwischen 2 und 5 Uhr nachmittags, die kleinste zwischen 5 und 8 Uhr früh auf, doch macht sich in den Nachtstunden vielfach eine geringe Zunahme bemerkbar. Ostgewitter sind nachmittags, Westgewitter nachts etwas häufiger. Auf den Meeren scheinen die G. nachts häufiger als tags zu sein.

Hinsichtlich des Einflusses von Mond und Sonne deuten die bisherigen Untersuchungen darauf hin, daß bei Neumond und erstem Viertel mehr G. als bei Vollmond und letztem Viertel auftreten, daß die G., entsprechend der Dauer der Sonnenrotation, eine nahezu 26tägige Periode haben, und daß die Intensität der G. (s. Blitzgefahr) der Häufigkeit der Sonnenflecke entgegengesetzt verläuft.

Vgl. die nahezu vollständigen Literaturangaben in J. Hann, Lehrbuch der Meteorologie (Leipz. 1901), und in Mc Adie and Henry, Lightning and electricity of the air (Washingt. 1899); Gockel, Das G. (Köln 1895); Engelenburg, Aerodynamische Theorie der G. (im »Archiv der Seewarte«, Bd. 19, Hamb. 1896; mit historischem Überblick).