Aufbau-Phase
Der Ausgangspunkt für Gewitter ist meist ein heißer Sommertag am Ende einer länger anhaltenden Hitzeperiode.Über großen Ackerflächen,Sandflächen oder versiegelten Flächen (Großstadt) bilden sich sogenannte Warmluftblasen. Diese Warmluftblasen steigen in die Höhe bis sie die Kondensationsgrenze erreichen. Dort bilden sich sogenannte "Cumuluswolken" deren Umfang zunächst klein ist.Wenn die Troposphäre leicht feuchtlabil ist, wachsen diese kleinen Cumuluswolken mit steigender Temperatur stark an. Die Cumuluswolken wachsen nach oben. Kleine Cumuluswolken werden mit "Cumulus humilis" bezeichnet. Nach einigen Stunden sind die Cumuluswolken auf eine mittlere Größe herangewachsen, den "Cumulus mediocris". In der gesamten Wolke besteht ein sogenannter Aufwind. Oberhalb der 0° Grenze sind unterkühlte Wassertröpfchen anzutreffen. Wachsen die Cumuluswolken weiter an so spricht man im ausgewachsenem Stadium von den "Cumulus congestus". Die Wolken können mehrer Kilometer in die Höhe gehen, in ihnen herschen Aufwindgeschwindigkeiten von bis zu 30 km/h und mehr. Wenn eine solche Wolke nun in Temperaturbereiche niedriger wie -30° vorstößt gefrieren immer mehr Wassertröpfchen.Es entstehen Eiskristalle.
Reife-Phase
Durch die Eiskristalle am oberen Ende der Wolke, verliert die Wolke dort ihre scharfen Umrisse, man spricht in diesem Stadium vom "Cumulonimbus". Am oberen Ende der Wolke entstehen immer mehr Eiskristalle. Dicht unter der Eiskristallschicht sind Wassertröpfchen. Dies ist die Vorraussetzung von Niederschlag. Es fällt innerhalb der Wolke Niederschlag nach unten, damit verbunden sind Abwinde innerhalb der Wolke. An anderen Stellen der Wolke gibt es immer noch Aufwinde. Es kommt zur Reibung von Luftmassen. Es entstehen Ladungen und es gehen Entladvorgänge vonstatten. Die Gewitterwolke ist geboren, die sogenannte "Cumulonimbus calvus".
Auflösungsphase
Durch die starken Niederschläge in der Wolke, welcher am Erdboden ebenfalls als Niederschlag ankommt, verliert die Wolke an Feuchtigkeit bzw. Wassertröpfchen. Am oberen Ende der Wolke ist mittlerweile ein aus Eiskristallen bestehender Amboss entstanden. Einsolcher Ambus kann Durchmesser von bis zu 100 km erreichen. Sind alle Wassertöpfchen durch die Aufwinde in den oberen Teil transportiert worden, und dann als Niederschlag zum Erdboden hin abgegeben worden, klingt der Regen, recht schnell ab. Durch den Verlust der Feuchtigkeit löst sich die Wolke auf.
Gewitterarten
Wärmegewitter entstehen im Sommer über großen Wärmeflächen und feuchter Troposphäre. Die Wärmegewitter sind stationär, da sie wie schon erwähnt an die Hitzeflächen gebunden sind. Ausgangspunkt sind wie oben beschrieben die Warmluftblasen, welche nach oben steigen. Die Wärmegewitter sind nur kurzlebig.
Ein Gewitter kann nicht nur, wie das Wärmegewitter, aus einer Zelle bestehen, sondern auch aus mehreren Zellen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien bestehen. Die sogenannten Multizellengewitter entstehen durch kalte Luftströmungen. Die kalten Luftströmungen entstehen durch sinkende Luft in den Niederschlagszonen. Es bildet sich in Zugrichtung des Gewitters eine Böenfront. Diese Böenfront drängt die warme feuchte Luft in die höheren Lagen ab. An der vorderen Kante des Mutizellengewitters bilden sich deshalb ständig neue Cumuluswolken, welche wiederum Entwicklungsausgangspunkt für die nächste Gewitterwolke ist. Ein Multizellengewitter besteht demnach aus Wolken in den drei Stadien Aufbau- / Reife- und Auflösungsphase.
Bei Superzellengewittern sind die Wolken in der vertikalen Achse schief und verdreht. Dies ist auf Höhenwinde zurückzuführen. Es wird durch diese Verschiebung der Wolken in der vertikalen Achse eine räumliche Trennung von Aufwindzone und Niederschlagszone. Durch diese Trennung entstehen sehr heftige Gewitter, welche durch starke Böenfronten und starkem Hagelschlag begleitet werden. Auch Tornados sind bei diesen Gewittern keine seltene Erscheinung. Superzellengewitter entstehen hauptsächlich in den USA.
Bei stabil-trockener und feucht-labiler Schichtung kann die Luft durch Hindernisse wie Berge und Hügel gezwungen werden, bis auf das Kondensationsniveau zu steigen. Danach steigt die feucht-labile Luft selbstständig weiter, worauf sich eine Gewitterwolke bildet.
Aus dem mittleren Niveau können sich Gewitter bilden, wenn
die Luft in dieser Schicht labil geschichtet ist. Es muß sich die Luft über
dieser Schicht abkühlen.
Kaltfront-Gewitter
An einer Kaltfront wird die Warmluftdurch den vorstossenden Kaltluftkeil in die
höheren Lagen abgedrängt. Bei einem hohen Feuchteanteil der Warmluft
können nun Gewitter entstehen. Kaltfront-Gewitter bilden sich hauptsächlich im
Sommer.
Warmfront-Gewitter
Gewitter an warmfronten bilden sich bevorzugt im Mittelmeerrraum. Die
Gewitterwolken an einer Warmfront sind sehr ausgedehnt, weshalt die Gewitter
sehr schwer zu beobachten sind. Sie sind in erster Linie messbar !
Blitz-Entstehung
In den Gewitterwolken findet eine Ladungstrennung statt. Der Vorgang der
Ladungstrennung ist noch nicht eindeutig geklärt. Man weiß nur,
daß folgende Prozesse an der Ladungstrennung beteiligt sind:
a) Kollision zwischen Hagelkörnern und Eiskristallen
b) Gefrieren in den kalten Teilen der Wolke
c) Schmelzen in der Wolke
Durch die Ladungstrennung entsteht innerhalb der Wolke eine Potentialdifferenz
von bis zu 10^8 Volt pro Meter. Das Wetterfeld außen um der Wolke liegt bei 100
V/m. Durch die Ladungstrennung entsteht im oberen Teil der Wolke eine Ansammlung
von positiven Ladungsträgern und im unteren Teil eine Ansammlung der negativen
Ladungsträgern. Die Luft in der Troposphäre ist ein schlechter Leiter. Es kommt
dadurch zu keiner Entladung, sondern die Potentialdifferenz bzw. das elektrische
Feld wird immer größer. Der Vorgang ist vergleichbar mit einem großen
Plattenkondensator, dessen Platten mit immer mehr entgegengesetzter
Ladungsträger versehen werden. Das nahezu homogene elektrische Feld steigt
proportional zur Ladung. Wenn die Potentialdifferenz in der Wolke einen
kritischen Grenzwert überschreitet, nimmt die Anzahl der geladenen Ionen und
Elektronen rasch zu. Durch die sogenannte Stoss-Ionisation bilden sich enge, gut
leitende Kanäle. Die Struktur dieser Kanäle ist stark verzweigt, auf keinen Fall
geradlinig. Die Kanäle sind ein zeitlich änderndes Figur die sich im Raum
ausbreitet und wächst. Trifft einer dieser Kanäle auf ein entgegengesetztes
Ladungszentrum, tritt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Ladungszentren
ein. Dieser Ladungsausgleich findet in entgegengesetzter Richtung statt. Diese
Erscheinung wird als Blitz wargenommen und kann elektronisch registriert werden.
Durch den Blitz wird die Potentialdifferenz abgebaut. Dieser Abbau der
Potentialdifferenz bzw. die Dauer des Blitzes hat eine Zeitdauer von wenigen
Mikrosekunden. Der Hauptentladung folgen sehr oft Nebenentladungen im Abstand
von Tausendsel Sekunden. Der Blitz erwärmt die Luft im Blitzkanal stark und
dehnt sich dadurch explosionsartig aus. Durch die Erwärmung der Luft ist der
Blitz erst sichtbar. Durch die explosionartige Ausdehnung der Luft entsteht in
näherer Umgebung ein lauter Knall, in weiterer Entfernung ist ein Grollen zu
hören. Diese Erscheinung wird als Donner bezeichnet. Die Stromstärke des Blitzes
kann 100 000 A überschreiten. Die durchschnittliche Länge des Blitzes beträgt
1-2 km. Bei der Blitzortung auf elektromagnetischem Wege geht man von einem
sogenannten Standardblitz von ca 60000A aus. Am häufigsten sind Entladungen
zwischen Wolken, erst danach folgen Entladungen zwischen Wolke und
Erdoberfläche. Deshalb sind bei elektronischen Blitzortungssystemen die
Wolke-Wolke Blitze in der Überzahl. Oft finden auch reine Höhengewitter statt.
Dies bedeuted, daß nur Wolke-Wolke Entladungen statt finden, aber keine
Wolke-Erde Entladungen. Das Gewitter spielt sich dann in der Höhe zwischen den
Wolken ab. Findet ein solches Gewitter tagsüber bei Sonnenschein statt, sind die
Blitze oft nicht sichtbar. Höchstens ein Rumpeln oder ein leichter Donner durch
die oben beschriebene Ausdehnung der Luft sind hörbar. Diese Gewitter sind in
der elektronischen Blitzortung daran zu erkennen, das 95% der Entladungen in der
Region und dem Zeitraum nur Wolke-Wolke Entladungen sind. Die dritte Sorte von
Entladungen sind die Entladungen in die umgebende Luft. Diese Entladungen sind
schwer zu orten, wenn überhaupt nur mit einer zusätzlichen z-Spule. Meist führen
diese Art der Blitze durch die räumliche Ausbreitung der elektromagnetischen
Wellen zu Fehlortungen, daß heißt es werden fälschlicherweise Wolke-Wolke oder
Wolke-Erde Blitze detektiert.
Detaillierte Betrachtung der Blitzarten
Blitze zwischen Erdboden und Wolke
Man unterscheidet grundlegend zwei Arten von Blitze:
I.) Negativer Wolke-Erde Blitz = +CG (englisch: Positive Cloude-Ground Stroke)
II.) Positiver Wolke-Erde Blitz = -CG (englisch: Negative Cloude-Ground Stroke)
Rein physikalisch betrachtet gibt es jedoch vier Blitzarten:
zusammengefasst in I.) gibt es:
a.) Negativer Wolke-Erde Blitz => Unterteil der Wolke negativ geladen, Boden positiv geladen, Laufrichtung des Kanals (Vorentladung) von Wolke nach Boden: Abwärtsblitz
b.) Negativer Erde-Wolke Blitz => Unterteil der Wolke negativ geladen, Boden positiv geladen, Laufrichtung des Kanals (Vorentladung) von Boden nach Wolke: Aufwärtsblitz
zusammengefasst in II.) gibt es:
c.) Positiver Wolke-Erde Blitz => Unterteil der Wolke positiv geladen, Boden negativ geladen, Laufrichtung des Kanals (Vorentladung) von Wolke nach Boden: Abwärtsblitz
d.) Positiver Erde-Wolke Blitz => Unterteil der Wolke positiv geladen, Boden negativ geladen, Laufrichtung des Kanals (Vorentladung) von Boden nach Wolke: Aufwärtsblitz
Die vier Blitzarten unterscheiden sich einzig und allein in der schon zuvor beschriebenen Kanalrichtung. Bevor der Blitz, das heißt die Hauptentladung stattfindet, bildet sich ein gut leitender Blitzkanal. Dieser Blitzkanal wird auch oft mit "Vorentladung" bezeichnet. Die Ausbreitungsrichtung des Kanals wird auch mit Laufrichtung bezeichnet. Die Laufrichtung ist mit blossem Auge nicht zu erkennen. Bei elektronischen Blitzortungssystemen im semiprofessionellen Bereich kann man Aufwärtsblitz und Abwärtsblitz nicht unterscheiden. Hierzu ist eine frequenzabhängige, zeitliche Analyse der durch die Blitze erzeugten elektromagnetischen Wellen nötig. Mit den zur Zeit auf dem Markt befindlichen semiprofessionellem Ortungssystemen für Blitze lässt sich nur I und II registrieren und unterscheiden.