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2022 | Buch

Der Kugelblitz

Eine moderne Analyse des ungelösten Problems der atmosphärischen Elektrizität

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Über dieses Buch

Kugelblitze sind rätselhaft. Diese leuchtenden Objekte, die gelegentlich während eines Gewitters auftreten und einen Durchmesser von mehreren Metern erreichen können, stellen die Wissenschaft seit etwa 200 Jahren vor Probleme. Trotz mehrerer Tausend gemeldeter Beobachtungen ist ihre physikalische Natur noch immer unbekannt. In diesem Buch werden gut dokumentierte Fälle von Kugelblitzen beschrieben und genutzt, um wichtige Aspekte dieser mysteriösen Form der atmosphärischen Elektrizität zu analysieren. Im Laufe des Buches erörtert der Autor die verschiedenen Facetten des Problems in einem zugänglichen, wissenschaftlich fundierten Text und liefert so einen lesbaren und informativen Bericht, der den neugierigen Leser fesseln wird. Die Analyse kulminiert in der überraschenden Schlussfolgerung, dass die Lösung dieses Rätsels vielleicht schon seit vielen Jahren vorliegt aber bisher nicht erkannt wurde.

Ein Vorwort von Earle Williams, dem führenden Blitzforscher am MIT, leitet das Buch ein.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung
Zusammenfassung
Mein Interesse an Kugelblitzen reicht inzwischen 45 Jahre zurück. Als ich Physikstudent war, reiste ich als Rucksacktourist durch Australien und übernachtete in Jugendherbergen. Der Ort, den ich am meisten mochte, hieß „Lost World Youth Hostel“ in der Nähe des Lamington-Nationalparks im südlichen Queensland. Dort kaufte ich ein Buch mit dem Titel „Green Mountains“ von Bernard O’Reilly (1962), in dem die Suche nach den Überlebenden eines Flugzeugabsturzes im Jahr 1937 in der Nähe der Jugendherberge und das Leben der Pioniere im Regenwald an der Grenze zwischen Queensland und New South Wales beschrieben wird. Bernard war offensichtlich ein brillanter Naturbeobachter und er berichtet über viele interessanten Ereignisse, darunter auch die totale Sonnenfinsternis vom September 1922. In diesen Bergen erlebte er im November desselben Jahres ein starkes Gewitter, das eine beträchtliche Anzahl von Kugelblitz-Objekten hervorbrachte: leuchtende Kugeln, die in einem tiefen Rot glühten, wie die Glut eines Holzfeuers. Als ich diesen Bericht las, war ich sofort von diesen mysteriösen Objekten fasziniert, die ich zuvor als extrem seltene Kuriositäten betrachtet hatte. Dieser Bericht bewies jedoch ziemlich überzeugend, dass unter den richtigen Bedingungen Kugelblitzereignisse in erheblicher Anzahl auftreten können. Dies deutet darauf hin, dass es möglich sein könnte, solche Objekte im Labor zu erzeugen, was eine echte Chance bietet, ihre Eigenschaften im Detail zu untersuchen. Als ich zurück an der Universität war, sprach ich mit meinem Professor, der mir sofort sagte, dass es viel sinnvoller wäre, mich auf meine Doktorarbeit zu konzentrieren, als mich mit solch exotischem Zeug zu beschäftigen. Nun, ich folgte seinem Rat (oder seiner Aufforderung, sollte ich sagen), aber ich habe nie vergessen, was Bernard O’Reilly berichtet hat.
Herbert Boerner
Kapitel 2. Kugelblitze: Berichte von Beobachtern
Zusammenfassung
Es gibt mehr Menschen, die Kugelblitze gesehen haben, als man denkt; solche Beobachtungen sind gar nicht so selten. Während der letzten  Jahre habe ich mit den meisten meiner Freunde und Bekannten über mein Lieblingshobby gesprochen und war überrascht, wie viele solche Objekte gesehen haben. Bisher sind es 15 Fälle, und ich denke, dass es bald noch mehr werden. Diese Berichte geben einen guten Eindruck, wie Kugelblitze aussehen können. Am Beginn steht ein Fall, der mit interessanten Umständen verbunden ist, weil er in einem modernen Metallflugzeug stattfand.
Herbert Boerner
Kapitel 3. Die Suche nach fotografischen Beweisen
Zusammenfassung
Die Suche nach Fotos oder Videos von Kugelblitzen ist eine endlose Geschichte der Verwirrung und Täuschung, die mit der weiten Verfügbarkeit von analogen Kameras Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts begann und sich bis heute mit leistungsstarken Videorekordern in jedem Smartphone fortgesetzt hat. Als die Fotografen versuchten, Fotos von normalem Blitz zu machen, entdeckten sie eine Technik, die auch heute noch verwendet wird: Man muss nachts fotografieren und den Verschluss dauernd offen lassen, bis der Blitz im Sichtfeld der Kamera erscheint. Wenn die Kamera auf einem Stativ befestigt ist, ist alles in Ordnung, aber wenn man kein stabiles Stativ hat, wird die Kamera wackeln und sich bewegen. In diesem Fall werden Straßenlaternen im Bild helle Spuren hinterlassen, aber der Blitz ist ein sehr kurzes Phänomen und erscheint daher scharf.
Herbert Boerner
Kapitel 4. Ein wenig Philosophie, oder was hat ein Rasiermesser mit Kugelblitzen zu tun?
Zusammenfassung
Der Leser fragt sich jetzt vielleicht, welche Forschungsaktivitäten zu Kugelblitzen von Wissenschaftlern unternommen werden, insbesondere von Physikern. Aus den oben genannten Informationen würde man eigentlich erwarten, dass ein Phänomen mit einer solchen Fülle interessanter Eigenschaften an mehreren Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen weltweit Gegenstand intensiver Studien ist. In Wirklichkeit ist genau das Gegenteil der Fall. Nur eine Handvoll Wissenschaftler veröffentlichen Artikel zu diesem Thema, und die meisten von ihnen sind sich über die Natur von Kugelblitzen uneinig. Es gibt noch weniger „Mainstream"-Wissenschaftler, die daran arbeiten. Obwohl praktisch alle Physiker von Kugelblitzen gehört haben, scheinen die meisten von ihnen dieses Thema entweder als unlösbar zu betrachten oder es als nicht einer näherer Untersuchung für würdig zu halten. Eine ganze Reihe von Wissenschaftlern betrachtet es als ein Pseudophänomen, etwas, das in der Realität überhaupt nicht existiert (Campbell, 2008). Mir ist kein Forschungsprojekt bekannt, das sich vorwiegend mit der Erforschung von Kugelblitzen befasst. Um zu zeigen, woher dieses Desinteresse oder sogar diese tiefe Skepsis rührt, muss man sich die wissenschaftliche Methodik ansehen, beginnend mit den drei Grundlagen, die für die gesamte moderne Naturwissenschaft unerlässlich sind.
Herbert Boerner
Kapitel 5. Sichtung und Analyse der Beobachtungen
Zusammenfassung
Im achtzehnten Jahrhundert wurden erhebliche Fortschritte bei dem Verständnis von Blitzen und Elektrizität erzielt. Eines der berühmten Experimente dieser Zeit ist das von Benjamin Franklin: Er lies einen Drachen während eines Gewitters aufsteigen und konnte dann Funken aus der nassen, leitend gewordenen Leine ziehen, was bewies, dass Gewitter und Blitze elektrischer Natur sind. Gleichzeitig wurden Maschinen konstruiert, die durch Reiben schnell rotierender Glasbälle, Zylinder oder Scheiben Elektrizität erzeugten. Diese Geräte produzierten hohe Spannungen, aber nur geringe Ströme. Dann entdeckte Alessandro Volta das Prinzip von Batterien, was den Weg für Experimente mit geringen Spannungen, aber höheren Strömen öffnete. All diese experimentellen Ergebnisse und Erfindungen führten dann im neunzehnten Jahrhundert zu wissenschaftlichen Durchbrüchen beim Verständnis von Elektrizität und Magnetismus, die in der 1865 von James Clerk Maxwell entwickelten Theorie des Elektromagnetismus gipfelten. In anderen Bereichen gab es ebenfalls große Fortschritte: Man verstand, dass Steine wirklich vom Himmel fallen konnten, was zu einer Erklärung der feurigen Boliden führte, die manchmal am Himmel gesehen wurden, und das Sonnensystem wurde durch einen neuen Planeten, Neptun, erweitert, der mittels Vorhersagen, die auf Störungen in der Umlaufbahn des neu entdeckten Planeten Uranus basierten, gefunden wurde. Es ist offensichtlich, dass in diesem Klima allgemeinen wissenschaftlichen Fortschritts auch Berichte über Kugelblitze wissenschaftlich untersucht wurden. Der französische Wissenschaftler François Arago war der erste, der in seinem Buch „Sur la tonnerre“ von 1838 eine Analyse der ihm zur Verfügung stehenden Berichte veröffentlichte. Dabei kam er aber zu dem Schluss, dass es sich um eines der unerklärlichsten Probleme der Physik zu dieser Zeit handelte. Leider ist dies auch fast 180 Jahre später noch der Fall. Im zweiten Teil des neunzehnten Jahrhunderts wurden kleine Sammlungen von Beobachtungen über Kugelblitze von mehreren Personen zusammengestellt, aber der erste ernsthafte Versuch, die Daten zu organisieren und zu analysieren, wurde erst nach dem Ersten Weltkrieg von dem deutschen Lehrer W. Brand unternommen.
Herbert Boerner
Kapitel 6. Elektrische Entladungen, Korona und Streamer
Zusammenfassung
Offenbar ist die Erzeugung von Kugelblitzen eng mit normalen Blitzen und insbesondere mit Blitzen von den Wolken zum Erdboden verbunden. Um die Bedingungen zu verstehen, die durch solche Blitze entstehen, ist eine näheren Betrachtung von elektrischen Entladungen in der Luft nötig: der Koronaentladung, und den sogenannten Streamern und Leadern. Elmsfeuer, das oben erwähnt wurde, ist eine solche Form der Koronaentladung.
Herbert Boerner
Kapitel 7. Gewitter und Blitze
Zusammenfassung
Offenbar zeigen Kugelblitz-Beobachtungen eine deutliche Korrelation zwischen Gewittern, Blitzen und Kugelblitzen, so dass man sich ein genaueres Bild davon machen muss, was Blitze sind um Kugelblitze überhaupt verstehen zu können. Da die Blitzforschung ein sehr breites und aktives Forschungsgebiet ist, beschränkt sich die Diskussion auf die Bereiche, die am wahrscheinlichsten für Kugelblitze relevant sind. Für eine ausführlichere Diskussion über die vielen Aspekte der Blitzphysik gibt es eine hervorragende Übersichtsarbeit über den aktuellen Stand der Technik (Dwyer und Uman, 2014), und die Bücher von Cooray (2015) und das „Blitzbuch“ von Rakov und Uman (2003) umfassen alle wissenschaftlichen Aspekte des Blitzschlags und des Blitzschutzes.
Herbert Boerner
Kapitel 8. Gut dokumentierte Fälle mit mehreren Kugelblitzen
Zusammenfassung
Es sind jetzt fast alle Informationen erwähnt worden, die über Kugelblitze verfügbar sind. Besonders wichtig ist die merkwürdige Tatsache – bereits von Brand bemerkt –, dass Kugelblitze im Winter häufiger erzeugt werden, als man angesichts der sehr geringen Anzahl von Blitzen in dieser Jahreszeit erwarten würde. Diese Tatsache tritt in anderen und neueren Sammlungen von Kugelblitz-Beobachtungen immer noch auf. Brand bemerkte auch, dass Kugelblitze eher am Ende von Gewittern erzeugt werden.
Herbert Boerner
Kapitel 9. Der Zusammenhang zwischen Blitzphysik und Kugelblitzen
Zusammenfassung
Offenbar kommen positive Erdblitze im Winter häufiger vor, was gut mit der Beobachtung zusammenpasst, dass die Blitze im Winter besser Kugelblitze produzieren können als die im Sommer. Einige der spektakuläreren Fälle, insbesondere mit mehrfacher Kugelblitz-Produktion, könnten auch mit positiven Blitzen in Verbindung stehen. Unterstützt wird diese Beobachtung durch die Untersuchung von Keul und Diendorfer (Keul 2018), die zeigt, dass positive Erdblitze eine etwa zehnfach höhere Wahrscheinlichkeit haben Kugelblitze zu erzeugen als negative Erdblitze. Diese Korrelation ist an sich ein sehr überraschendes Ergebnis, aber was kann man daraus über Kugelblitze lernen?
Herbert Boerner
Kapitel 10. Manche Leute wollen es einfach nicht glauben: Die Sicht des Skeptikers
Zusammenfassung
Viele Wissenschaftler waren schon immer skeptisch in Bezug auf Kugelblitze. Die gemeldeten Eigenschaften passen einfach nicht in ein bekanntes Konzept. Dies war nicht so offensichtlich, als die Physik selbst weniger ausgereift war, aber seit den 1950er Jahren, als die Struktur der Materie enthüllt worden war und sich die Plasmaphysik entwickelt hatte, war für Kugelblitze einfach kein Platz im Kontext der bekannten und verstandenen Phänomene. Derzeit arbeiten nur sehr wenige Wissenschaftler aktiv an diesem Thema, und vermutlich betrachten die meisten Kugelblitze als ein Pseudophänomen oder sogar als "Chimera" (Campbell, 2008). Historisch gesehen wurde die Fehlinterpretation von anderen natürlichen Phänomenen als Kugelblitze am häufigsten von Skeptikern vorgeschlagen. Wie Brands und Stenhoffs Analyse zeigen, müssen Kugelblitz-Berichte genau überprüft werden um die Glaubwürdigkeit des Berichts zu validieren, aber es bleibt eine beträchtliche Anzahl von Berichten, die sehr detailliert sind und aus Quellen stammen, die nicht leichthin als unzuverlässig abgetan werden können. Aus diesem Grund wurden alternative Erklärungen entwickelt, die sich um Täuschungen oder Illusionen drehen.
Herbert Boerner
Kapitel 11. Kugelblitz Theorien
Zusammenfassung
Zur Zeit existieren vermutlich mehr als 200 verschiedene Theorien über Kugelblitze, aber bisher gibt es keine Einigkeit darüber ob auch nur eine davon korrekt ist. Tatsächlich denken die meisten Wissenschaftler, dass keines dieser theoretischen Modelle die physikalische Natur dieser Objekte beschreibt. Angesichts der Bemühungen, die in die Entwicklung dieser Modelle gesteckt wurden, ist das ziemlich überraschend, aber wie Stenhoff in seinem Buch erklärt, haben die meisten dieser Theorien ein fundamentales Problem: sie beschreiben einfach nicht das beobachtete Verhalten von Kugelblitzen. Einige von ihnen sagen ein Verhalten vorher, das noch nie beobachtet wurde, während andere im Widerspruch zum gut dokumentiertem Verhalten dieser Objekte stehen. Einige konzentrieren sich nur auf einige spezielle Berichte und ignorieren das Material aus anderen Beobachtungen. Es scheint, dass Physiker eine gewisse Vorliebe dafür haben, bei Berichten über Kugelblitze sich die Rosinen aus dem Kuchen zu picken.
Herbert Boerner
Kapitel 12. Kugelblitzexperimente
Zusammenfassung
Das Ziel der Kugelblitz-Forschung ist die wiederholbare Erzeugung solcher Objekte im Labor und ihre kontrollierte Untersuchung, was in der freien Natur aufgrund ihres unvorhersehbaren Auftretens unmöglich ist. Leider ist die Zahl der Experimente, die sich mit der Kugelblitz-Erzeugung befassen, viel kleiner als die Zahl der Theorien über sie. Theorien zu machen ist natürlich einfacher und billiger als Experimente durchzuführen, da letztere ein Labor und einen Experimentieraufbau erfordern (und eine gewisse Menge an Geld), während Theorien im Prinzip mit nur Papier und Bleistift in jeder Studierstube gemacht werden können.
Herbert Boerner
Kapitel 13. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Es ist jetzt der Punkt gekommen sich zu fragen, ob die Ziele erreicht wurden: konnten aus den Beobachtungen von Kugelblitzen genug Informationen extrahiert werden, um die Natur dieser Objekte besser zu verstehen und Experimente zu planen? Die Antwort ist, dass es überraschenderweise gelungen ist, das Puzzle soweit zusammenzufügen, dass beide Ziele in greifbare Nähe rücken.
Herbert Boerner
Backmatter
Metadaten
Titel
Der Kugelblitz
verfasst von
Herbert Boerner
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-031-19371-2
Print ISBN
978-3-031-19370-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-19371-2

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