Wofür sich Zauberer und Paladine in Diablo und Co. rühmen, das kann Eis nach neuester Forschung seit Anbeginn der Zeit: Die Urgewalt von Blitzen entfesseln

Blitze und Eis mögen sich optisch unterschieden wie Tag und Nacht. Physikalisch hängen sie aber wohl enger zusammen als wir dachten. (Bildquelle: Unsplash, Johannes Plenio und Aaron Burden)

Jeder kennt Gewitterwolken, doch so richtig haben wir bisher nicht verstanden, was in ihnen vor sich geht. Natürlich hatten wir grobe Erklärungen dafür, wie sich aus bloßen Aufwälzungen von Wasser und Eis eine Naturgewalt Bahn bricht, doch gleich zwei Studien schauen jetzt genauer ins Innere der Ungetüme.

Wir erklären euch, wieso Eis sich einem Feuerzeug ähnelt und sich gleichzeitig von ihm abhebt und worum es sich bei sogenannten dunklen Blitzen und energiereichen Gammastrahlen-Ausbrüchen handelt.

Verbogenes Eis im Chaos des Sturms

Um zu verstehen, was Eis ganz grundsätzlich mit Gewitterwolken zu tun hat, erklären wir erst seine Entstehung. In Gewitterwolken, sogenannten Cumulonimbuswolken, auch Ambosswolken genannt, herrschen starke Aufwinde. Sie bilden sich durch aufeinandertreffende Luftmassen heraus – feuchtwarm gegen trocken-kühler.

Wassertropfen werden von diesen vertikalen Winden hoch hinauf in deutlich kältere Ebenen der Atmosphäre getragen. Hier gefrieren sie, sinken herab und werden oft erneut emporgehoben, um irgendwann als schlussendlich zu schwer für die Aufwinde herab zur Oberfläche zu stürzen. So entstehen Hagel und Graupel.

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Bei diesem Sturmchaos stoßen allerorts Eisklumpen gegeneinander – und hier setzt die neueste Forschung an. Sie macht endlich plausibel, was uns lange verschlossen blieb: Wo kommt die Ladung in Gewittern her?

Auch wenn wir Eis mit Stillstand gleichsetzen, überraschte es die Forscher hinter einer neuen Studie. Wassereis ist nämlich elektromechanisch aktiv, das heißt:

• Es kann Ladungen voneinander trennen und eine Spannung erzeugen oder einfacher: Es sorgt für fließende Elektronen, also Strom.

Dass Eis eine Rolle bei der Erzeugung von Elektrizität von Gewittern einnimmt, ahnten Forscher schon lange. Um uns dem entscheidenden Puzzlestück anzunähern, der Flexoelektrizität, schauen wir uns erst einen Verwandten von ihr an.

• Piezoelektrizität: Darunter ist die Eigenschaft eines Materials zu verstehen, bei mechanischer Verformung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Mechanische Energie wird in elektrische umgewandelt.
  • Beispiel aus dem Alltag: Piezo-Feuerzeuge funktionieren exakt so. Der Druck aktiviert einen Federmechanismus, der ein Piezo-Keramikelement verbiegt. Hierdurch bildet sich eine kurzzeitige, hohe elektrische Spannung. Die Hochspannung schlägt buchstäblich Funken, das gleichzeitig ausströmende Gas entzündet sich daran.

Eis an sich reagiert nicht piezoelektrisch. Es weist höchstens Merkmale davon auf, die ein anderer Effekt hervorruft, die Ferroelektrizität. Das würde an dieser Stelle zu weit führen, es soll nur kurz erwähnt werden. Entscheidend ist die beim Eis neu entdeckte Flexoelektrizität.

Die Gewitterwolke, ein Karambolagen-Generator

Flexoelektrische Materialien erzeugen Spannung, wenn sie ungleichmäßig verformt werden, etwa durch Biegung. Anders als Piezoelektrizität, die eine spezielle Kristallstruktur braucht, wirkt Flexoelektrizität in jedem Material – auch im symmetrischen Wassereis. Kollisionen, die mechanische Energie aufwenden, um Hagel oder Graupel zu stauchen oder aufzubrechen, erfüllen diese Bedingung.

Solche Karambolagen geschehen mit Eis fortwährend, wenn es im Chaos des Gewittersturmes miteinander kollidiert. Jedes gebogene Stückchen Eis projiziert ein elektrisches Feld, wie ein winziger Generator, der durch die mechanische Energie des Biegens angetrieben wird. Wir haben also einen wahren Sturm an elektrisch aktiven Winzlingen, welche die Wolke innerlich zum Brodeln bringen.

So baut das Eis durch unzählbar viele Einzelzusammenstöße Schlag für Schlag Spannungspotenzial auf. Der Grund: Unterschiedliche Umgebungstemperaturen oben und unten in einer Wolke ergeben verschiedene Polaritäten. Hierdurch ergeben sich natürliche Plus- und Minuspole in den Ambosswolken, die den Nährboden für Blitze bilden.

Nach den Daten der Wissenschaftler kann laut Simulationen allein die Flexoelektrizität bis zu 80 Prozent der Ladung in Gewittern erklären, die bei Messungen wiederholt aufgezeichnet worden.

Anheizerin namens Klimakrise

Eine mögliche Folgerung aus dieser Erkenntnis lautet übrigens auch: Der Klimawandel könnte Gewitter regelrecht anheizen. Durch die Erwärmung der Atmosphäre werden unten liegende Wolkenschichten zukünftig mehr Wärme in sich tragen, wodurch der Unterschied zwischen oberen und unteren Ebenen zunimmt. Ergo: Eine verstärkte Ladungstrennung führt eventuell zu häufigeren und obendrein stärkeren Blitzen, um das elektrische Potenzial abzubauen.

Abseits der Erkenntnisse zur Erzeugung von Elektrizität in Wolken öffnet das Wissen, um die elektrischen Eigenschaften von Eis weitere Türen. Dieser Effekt mag in Zukunft auch praktischen Nutzen aufweisen oder andere Beobachtungen in der Natur helfen, zu erklären.

Erleichterung der Anspannung: Blitze

Eine zweite Studie wirft Licht auf den Mechanismus, der schließlich zur Entladung dieser aufgebauten Spannung auslöst: Blitze. Im Zentrum davon steht eine physikalische Kettenreaktion in Gewitterwolken. Die entstehenden elektrischen Felder beschleunigen nämlich Elektronen, die mit Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen kollidieren.

Vergleichen wir es mit einem unsichtbaren Flipperautomaten. Doch anstatt bunten Lichtern und schrillen Geräuschen entsteht durch die wirr aufeinanderfolgenden Zusammenstöße etwas anderes, nämlich: Röntgenstrahlung, hochenergetische Photonen und weitere Elektronen. Sie treten gemeinsam regelrechte energetische Lawinen los, die initial zu kurzlebigen Entladungen in den Wolken führen – begleitet von sogenannten »dunklen Blitzen«, oder genauer Gammastrahlen-Ausbrüche.

Simulationen zeigen, wie die Prozesse einander verstärken, um als stetig wachsende Energiemasse immer mehr Teilchen zu involvieren, bis sie letztlich den sichtbaren Blitz einleiten. All diese Effekte wurden schon einzeln beobachtet, aber bisher war es nicht gelungen, sie zu einem kohärent-logischen Bild zu vereinen.

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Bisweilen ist es erstaunlich, wie viel Neues über alltägliche Phänomene noch zu lernen ist. Auch im 21. Jahrhundert gefährden Blitze noch regelmäßig Menschenleben. Diese Extremformen irdischen Wetters zu durchzuschauen ist der erste Schritt, damit wir uns wappnen und somit Leben und Besitztümer besser zu schützen vermögen.