Der Begriff Superbolt (oder Superblitz) bezeichnet eine seltene und extrem energiereiche Kategorie von Blitzen, die in der Erdatmosphäre beobachtet werden. Ein Superbolt ist ein atmosphärisches elektrisches Phänomen, das durch eine Entladung gekennzeichnet ist, die tausendmal intensiver ist als ein klassischer Blitz. Ihre Helligkeit ist so groß, dass sie von Wetter-Satelliten aus dem Weltraum beobachtet werden können. Während ein klassischer Blitz etwa 1 Gigajoule Energie freisetzt, können Superbolts Energien von über 100 Gigajoule erreichen und sind damit 100- bis 1000-mal stärker als gewöhnliche Blitze.
Diese außergewöhnlichen meteorologischen Phänomene wurden in den 1970er Jahren erstmals vom Physiker Bernard Vonnegut (1914-1997) identifiziert, doch erst mit modernen Satelliten konnte ihre systematische Erforschung beginnen.
| Physikalischer Parameter | Klassischer Blitz | Superbolt | Verhältnis oder Bemerkung |
|---|---|---|---|
| Abgestrahlte Lichtenergie | ≈ \(10^8\ \text{J}\) | ≈ \(10^{11}\ \text{J}\) | Etwa 1000-mal intensiver |
| Entladungsdauer | \(10^{-4}\ \text{s}\) (≈ 100 µs) | 1 bis 10 × \(10^{-3}\ \text{s}\) | Dauer 10- bis 100-mal länger |
| Maximaler Strom | ≈ 30.000 A | 200.000 bis 500.000 A | Bis zu 15-mal höher |
| Temperatur des ionisierten Kanals | 20.000 bis 30.000 °C | 30.000 bis 50.000 °C | Heißeres und stabileres Plasma |
| Lokales elektrisches Feld | \(E \approx 10^5\ \text{V/m}\) | \(E \approx 10^6\ \text{V/m}\) | 10-mal stärkeres elektrisches Feld |
| Dauer der Kanalionisation | Einige Mikrosekunden | Bis zu mehreren Millisekunden | Fast kontinuierliche Ionisation |
| Durchschnittliche Auftretenshöhe | 5 bis 10 km | 10 bis 15 km (Wolkenobergrenzen) | Kalte und instabile Regionen |
Quelle: Holzworth et al., *Geophysical Research Letters*, 2020 – Satellitendaten von OTD und LIS.
Die Entstehung eines Superbolts ergibt sich aus einer seltenen Kombination atmosphärischer Bedingungen (elektrostatisch, thermodynamisch und physikalisch auf Teilchenebene) innerhalb von Cumulonimbus-Wolken. Diese Phänomene treten auf, wenn ein Ladungsungleichgewicht einen kritischen Schwellenwert erreicht, der eine selbsttragende Entladung kolossaler Energie ermöglicht. Diese Bedingungen sind nur in weniger als 0,01 % der weltweit beobachteten Gewitter erfüllt.
In einer Gewitterwolke kollidieren Eiskristalle, Graupel und unterkühlte Wassertropfen ständig. Bei diesen Kollisionen findet ein kleiner Elektronentransfer statt, meist von Graupel zu Eiskristallen. Diese Vielzahl von Austauschvorgängen schafft schließlich eine natürliche Batterie: Der obere Teil der Wolke wird positiv, während sich ihre zentrale Zone mit negativen Ladungen anreichert. Das so erzeugte elektrische Feld kann beträchtliche Werte erreichen, in der Größenordnung von \(E \approx 10^5 - 10^6\ \text{V/m}\).
Dieses elektrische Feld übersteigt schließlich die Durchschlagsfestigkeit der Luft (\(3 \times 10^6\ \text{V/m}\)), d. h. die Grenze, ab der Luft nicht mehr isolierend wirkt. In diesem Moment schreitet ein teilweise ionisierter Kanal in kleinen, aufeinanderfolgenden Schritten voran, wobei jeder Schritt das elektrische Feld lokal verstärkt.
Wenn das Feld extreme Werte erreicht, die \(10^6\ \text{V/m}\) übersteigen, werden freie Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sie treten dann in eine relativistische Elektronenlawine ein, ein Prozess, der als RREA bezeichnet wird. Dieser Mechanismus wandelt einen Teil der Energie des elektrostatischen Feldes in einen gigantischen elektrischen Strom um. Der ionisierte Kanal erhitzt sich abrupt und erreicht Temperaturen von Zehntausenden Grad: Die Luft dehnt sich gewaltsam aus und erzeugt eine leuchtende und akustische Stoßwelle, den Superbolt.
Superbolts treten hauptsächlich über Ozeanen auf, wo die Leitfähigkeit der feuchten Luft extreme Entladungen begünstigt, aber sie können auch über Kontinenten auftreten, wo Ladungsgradienten zwischen Wolkenschichten kritische Werte erreichen. Beobachtungen zeigen eine Potentialdifferenz, die mehrere Gigavolt erreicht.
| Schlüsselfaktor | Mechanismus | Auswirkung auf die Kraft | Günstige Bedingungen |
|---|---|---|---|
| Wolkenhöhe | Größere Entfernung zwischen den Ladungszentren = erhöhte Potentialdifferenz | Erhöhung der verfügbaren potentiellen Energie für die Entladung | Cumulonimbus mit großer vertikaler Ausdehnung (> 12 km) |
| Intensität des elektrischen Feldes | Elektrisches Feld, das die Durchschlagsfestigkeit der Luft deutlich übersteigt | Effizientere Beschleunigung der Elektronen und Verstärkung des RREA-Phänomens | Ausnahmekonzentration von Ladungen in der Wolke |
| Entladungsdauer | Verlängerter Ladungstransfer im ionisierten Kanal | Größere zeitliche Integration des Stroms | Ausnahmebeständigkeit des Blitzkanals |
| Relativistischer Fortschritt (RREA) | Lawine von Elektronen, die relativistische Geschwindigkeiten erreichen | Exponentielle Vervielfachung der Ladungsträger | Extreme elektrische Felder (> 10^6 V/m) |
| Geometrie der Entladung | Entladung, die sich über größere horizontale oder vertikale Entfernungen erstreckt | Größeres Volumen ionisierter Luft und erhöhter Ladungstransfer | Großräumige Gewitter |
| Atmosphärische Bedingungen | Kalte, trockene Luft in großer Höhe begünstigt die Ladungsansammlung | Reduzierung von Leckströmen und Verbesserung der Isolierung | Instabile Luftmassen mit starkem Temperaturgradienten |
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