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Blitzentladung

Wie Blitze ursprünglich entstehen, ist immer noch umstritten1). Wissenschaftler haben Ursachen untersucht, die von atmosphärischen Störungen (Wind, Feuchtigkeit, Reibung und atmosphärischem Druck) bis zu den Auswirkungen von Sonnenwind und der Akkumulation geladener Solarteilchen reichen. Es wird angenommen, dass Eis in einer Wolke ein Schlüsselelement bei der Entwicklung von Blitzen ist und eine zwangsweise Trennung von positiven und negativen Ladungen in der Wolke verursachen kann, wodurch die Bildung von Blitzen unterstützt wird. Es war nicht offensichtlich, dass der Blitz mit Elektrizität zu tun hat, da der elektrische Strom nicht durch die Luft fließt. Aber, am 10. Juni 1752, ließ Benjamin Franklin während eines Gewitters einen Drachen steigen und sammelt Ladung in einem Leyden-Gefäß, als der Drachen vom Blitz getroffen wurde. Dies ermöglichte es ihm, die elektrische Natur des Blitzes zu demonstrieren. Er erfand auch den Blitzableiter, der zum Schutz von Gebäuden und Schiffen verwendet wird.

Eine Blitzentladung emittiert Hochfrequenzenergie über einen weiten Frequenzbereich. Wenn bei Wolken-zu-Boden-Blitzen hohe Ströme in zuvor ionisierten Kanälen auftreten, werden die stärksten Emissionen im VLF-Bereich abgestrahlt. VLF (eng: very low frequency = sehr niedrige Frequenzen) bezieht sich auf Radiofrequenzen in dem Bereich von 3 kHz bis 30 kHz. Ein wesentlicher Vorteil von niedrigen Frequenzen im Gegensatz zu höheren Frequenzen ist die Eigenschaft, dass sich diese Signale durch durch Reflexionen zwischen der Ionosphäre und der Erde über Tausende von Kilometern ausbreiten. Im Allgemeinen erzeugt eine Blitzentladung mehrere Impulse von kurzer Dauer zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden oder zwischen oder innerhalb von Gewitterwolken. Der Stromfluss erzeugt ein elektrisches Feld parallel zum Stromfluss und ein entsprechendes Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld.

Wellen mit einer Frequenz zwischen 3 kHz und 30 kHz haben eine Wellenlänge zwischen 100 km und 10 km. Eine geeignete Antenne für diese Frequenzen ist eine kleine Loop-Antenne mit einer Größe von weniger als 1/10000 der Wellenlänge im Umfang. Kleine Loop-Antennen werden auch als magnetische Loops bezeichnet, weil sie empfindlicher für die magnetische Komponente der elektromagnetischen Welle sind als für Störungen im elektrischen Nahfeld - richtige Schirmung vorausgesetzt. Wenn die Loop in Bezug auf die Wellenlänge klein ist, ist der Strom um die Antenne ist fast vollständig in Phase. Daher löschen sich Wellen aus die auf die Kreisfläche der Loop treffen, während die Wellen die seitlich auf die Loop treffen am stärksten sind. Dies Eigenschaft ändert sich, wenn die Schleife größer wird.

Das elektrische Feld der Radiowellen, die von Wolken-zu-Boden-Blitzentladungen ausgesandt wird, ist hauptsächlich vertikal orientiert, und somit ist das Magnetfeld horizontal ausgerichtet. Um alle Richtungen abzudecken (360 Grad) empfiehlt es sich, mehr als eine Loop zu verwenden. Eine geeignete Lösung besteht aus zwei orthogonalen gekreuzten Loops, wie sie für ein Peilsystem verwendet werden.

Die elektromagnetischen Signale von Blitzentladungen sind keine Wellen einer festen Frequenz. Die Signale haben mehr oder weniger die Form eines Impulses und emittieren somit Wellen über einen weiten Frequenzbereich. Jeder dieser Impulse ist einzigartig und sieht anders aus. Um die Ankunftszeit einer Blitzentladung zu messen, brauchen wir ein Breitbandempfangssystem und kein abgestimmtes System. Die Antenne sollte groß sein, um ein hohe Spannung aus der Änderung des elektromagnetischen Feldes zu erzeugen. Wenn die Loop aus mehr als einer Windung besteht, bildet der nebeneinander angeordnete Draht eine Kapazität.

Die unvermeidliche Eigenresonanzfrequenz einer Schleife sollte jedoch so hoch wie möglich sein, so dass wir diese Frequenzen mit einem Tiefpassfilter leicht unterdrücken können. Abbildung 5 zeigt links ein Signal, welches von zwei gleich großen nicht abgestimmten Loop-Antennen empfangen wurde. Diese Loops haben keinen zusätzlichen Abstimmkondensator. Die Resonanzfrequenz der Antenne liegt ungefähr bei 1000 kHz (= 1 MHz). Der verwendete Verstärker reduziert Frequenzen von 1000 kHz um -72 dB (= 4000-fach). Auf der rechten Seite von Abbildung 5 ist Loop B an einen parallelen Abstimmkondensator von 1 μF angeschlossen. Jetzt ist die eingestellte Frequenz der Antenne ungefähr 10 kHz. Da Blitzimpulse bei 10 kHz oft sehr viel Energie enthalten, gibt die abgestimmte Antenne nur ein unbrauchbares gleichförmiges Signal von 10 kHz aus. Dies zeigt, dass es sehr wichtig ist, eine reine Loop zu verwenden ohne irgendeinen parallelen Kondensator.

Hinweis: Bitte vermeiden Sie zusätzliche Abstimmkondensatoren!

1)
H.D. Betz, U. Schumann, and P. Laroche (Eds.) Lightning: Principles, Instruments and Applications. Springer Verlag, 2009.