Wie erklärt die Blitzforschung einen Kugelblitz?

Blitze, das heisst elektrische Entladungen, die bei Gewittern am Himmel zucken, werden schon seit vielen Jahren erforscht. Dass dabei gelegentlich Kugelblitze, quasi als «Abfallprodukte» entstehen, wird nicht mehr als Hirngespinst oder Einbildung abgetan. In wissenschaftlichen Kreisen werden die weltweit immer gleichen Beschreibungen der Kugelblitze ernst genommen. Heute betrachtet man den Kugelblitz als reell existierendes Naturphänomen, das aber bisher noch immer auf eine zuverlässig fundierte Erklärung wartet.

Der römische Philosoph, Naturforscher und Schriftsteller Lucius Seneca beschrieb den Kugelblitz schon vor 2000 Jahren. Nicht nur Seneca, auch weitere grosse Persönlichkeiten, angefangen von Kaiser Karl dem Grossen (747–814 n.Chr.) bis zu Niels Bohr (1885–1962), dem dänischen Physiker und Nobelpreisträger, beobachteten Kugelblitze. Trotz Hypothesen und Theorien über seine Entstehung gelang es bisher aber nicht, in einem Physiklabor einen Kugelblitz so herzustellen, wie er eben in der Natur auftreten kann.

Plasma liegt zugrunde

Unbestritten ist heute die Tatsache, dass jedem Kugelblitz die Bildung eines Plasmas zugrunde liegt. Ein Plasma ist ein ionisiertes heisses Gas, das durch starke elektromagnetische Felder erzeugt und zusammengehalten wird. Man muss sich vorstellen, dass ein Blitz ein elektrischer Stromstoss ist, in dem negativ geladene Elektronen verschoben werden. Blitze treffen auf ganz unterschiedliche Elemente und Moleküle. In der Luft sind es Stickstoff, Sauerstoff und Wassermoleküle, im Erdreich sind es Elemente, wie zum Beispiel Silizium, Kalzium oder Mag­nesium. Diesen Elementen und Molekülen werden damit Elektronen aufgezwungen oder abgehackt, was sofort zu geladenen Teilchen, den sogenannten Ionen führt. Diese Ionen bilden dann das kugelförmige und leuchtende Plasma, das sich zügig vorwärts bewegt. Die Helligkeit nimmt zuerst rasch ab, bleibt dann aber etwa eine Sekunde lang nahezu konstant, bis sie ganz verlöscht. Die Farbe des Kugelblitzes wechselt von Lila über Orange und Weiss nach Rot. Es wurden aber auch schon bläuliche Kugelblitze beschrieben. Woher stammen diese Farben? Diese Frage hat ein chinesisches Team von der Universität Lanzhou entschlüsselt. Die Forscher wollten Gewitter untersuchen und analysieren. In einem gewitterreichen Gebiet in China stellten sie eine Hochgeschwindigkeitskamera auf, die in einer Sekunde 3000 Bilder schiessen kann. Und siehe da, sie hatten enorm Glück. Bei einem heftigen Gewitter mit einem Blitzeinschlag bildete sich am Boden ein rötlich leuchtender Kugelblitz. Er wurde ebenfalls im Film festgehalten und konnte weiter analysiert werden. Zuerst leuchtete er in einer lila Farbe, ging dann in ein Orange über und wechselte zum Schluss in Weiss und Rot, bevor er sich auflöste – ein Ablauf, wie er eben schon oft beschrieben worden war.

Wie bei Fussballtrikots

Aus der Physik ist bekannt, dass jedes chemische Element, wenn es mit viel zusätzlicher Energie angereichert ist, den Energieüberschuss in Form von Licht aussendet. Dieses Licht hat ganz charakteristische Wellenlängen und bildet so etwas wie einen «eigenen Fingerabdruck» des leuchtenden Elementes. Leitet man zum Beispiel das weisse Sonnenlicht durch ein Glasprisma, so spaltet sich der weisse Lichtstrahl in seine Spektralfarben auf, von Rot über Gelb, Grün bis Blau und Violett, alle Regenbogenfarben. Jedes Element beansprucht nun seine eigenen Farblinien dieses Spektrums. Diese Spektrallinien der Elemente sind gleichbedeutend mit einem «Fingerprint». Man kann sie vergleichen mit den Trikots von Fussballmannschaften. Zum Beispiel gehört Blau-Rot zum FC Basel, Gelb-Schwarz zum BSC Young Boys und so weiter.

Die Spektrallinien der Elemente werden mit einem Spektrometer ermittelt und gemessen. Das vom Kugelblitz ausgesandte Licht zeigte den chinesischen Forschern, dass sein Plasma Ionen der Elemente Silizium, Eisen, Kalzium und Magnesium enthielt. Das sind typische Elemente des Erdbodens. Sie gelangten beim Auftreffen des Blitzes durch ein schlagartiges Verdampfen in die Luft. Forscher eines Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik in Deutschland konnten auch die bläuliche Farbe eines Kugelblitzes nachahmen. Sie liessen den Blitz in eine Wasserpfütze einschlagen. Dabei verdampfte eine winzige Menge Wassermoleküle, die gleichzeitig ionisiert wurde. Das resultierende Plasma leuchtete in einer hellen bläulichen Farbe.

Alle diese Untersuchungen führten zu der Überzeugung, dass Kugelblitze reell existieren. Bis heute konnte man sie aber noch nicht «naturidentisch» nachmachen. Man vermutet, dass es mehrere Arten von Kugelblitzen gibt. Es braucht offenbar noch mehr Anstrengungen, um der Natur ihre Kugelblitz-Geheimnisse zu entlocken.

Mario Slongo ist ehemaliger DRS-Wetterfrosch. Einmal im Monat erklärt er in den FN spannende Naturphänome­­­­ne. Weitere Beiträge unter: www.freiburger-nachrichten.ch, Dossier «Wetterfrosch».