Der Blitz ist die häufigste Naturgewalt der Erde, und doch ist er physikalisch nicht zu Ende erklärt. Messungen in Gewitterwolken zeigen elektrische Felder, die nur etwa ein Zehntel der Stärke erreichen, die nötig wäre, um Luft durchschlagen zu lassen. Wie der erste Funke trotzdem entsteht, darüber streiten Physiker seit Jahrzehnten. Drei Theorien stehen zur Wahl, und keine hat bisher den endgültigen Beweis geliefert.
Über der Erde toben zu jedem Zeitpunkt rund 2.000 Gewitter, und aus ihnen schlagen pro Sekunde etwa 40 bis 50 Blitze in Wolken oder Boden. Ein einzelner Blitzkanal wird kurzzeitig rund 30.000 Grad Celsius heiß, also fünfmal heißer als die Oberfläche der Sonne, und es fließen Ströme von typischerweise 30.000 Ampere. Wer diese Zahlen liest, hält den Blitz vermutlich für ein gut verstandenes Schulbuchphänomen: Eiskristalle und Graupel reiben sich in der Wolke, Ladungen trennen sich, die Spannung steigt, und irgendwann springt der Funke. Genau an dieser Stelle aber bricht das Schulbuch ab, denn der Übergang von der geladenen Wolke zum leitenden Kanal ist der am schlechtesten belegte Teil der ganzen Kette.
Seit den 1960er Jahren schicken Meteorologen Ballons und Raketen mit Feldsonden in Gewitterwolken. Die höchsten Werte, die dabei je gemessen wurden, liegen bei etwa 200.000 bis 400.000 Volt pro Meter. Damit trockene Luft in einigen Kilometern Höhe von selbst leitend wird, wären jedoch rund zwei bis drei Millionen Volt pro Meter nötig. Die Wolke ist also nach allem, was Instrumente sehen, zehnmal zu schwach für das, was sie jede Sekunde tut. Dieser Widerspruch ist keine Randnotiz, sondern die zentrale Lücke der Blitzforschung, und er hat eine ganze Reihe von Ideen hervorgebracht, die von Teilchen aus dem Weltall bis zu Röntgenblitzen in der Wolke reichen.
Ein Blitz braucht einen leitenden Kanal in einem Gas, das eigentlich ein guter Isolator ist. Damit Luft leitet, müssen Elektronen so stark beschleunigt werden, dass sie beim Aufprall auf Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle weitere Elektronen herausschlagen, bis eine Lawine entsteht. Die dafür nötige Feldstärke ist im Labor genau bekannt und sinkt mit abnehmendem Luftdruck, in Gewitterhöhe also auf grob ein Drittel des Bodenwertes. Selbst dieser reduzierte Wert liegt aber deutlich über allem, was in Wolken gemessen wurde. Zwischen Wolkenoberseite und Unterseite bauen sich zwar Spannungen von rund 100 Millionen Volt auf, wie der Physiker Ute Ebert in einer Übersicht im Physik Journal zusammenfasst, doch diese Spannung verteilt sich über Kilometer und ergibt lokal eben kein ausreichendes Feld.
Dass die Sonden etwas übersehen, ist die naheliegende erste Erklärung. Ein Ballon durchquert nur eine winzige Linie durch die Wolke, und ein sehr starkes Feld könnte auf wenige Meter beschränkt sein, etwa an der Spitze eines Graupelkorns oder an einem Wassertropfen, der sich im Feld zu einer Spitze verformt. Solche Feldüberhöhungen an scharfen Kanten kennt jeder vom Blitzableiter. In der Wolke müssten sie so groß werden, dass aus einem zehnfach zu schwachen Feld ein ausreichendes wird, und genau das ist bisher nirgends direkt beobachtet worden.
Die zweite Erklärung kommt von außerhalb der Erde. Der russische Physiker Alexander Gurewitsch schlug 1992 vor, dass Teilchen der kosmischen Strahlung den Blitz auslösen. Trifft ein solches Teilchen in der Wolke auf ein Luftmolekül, entsteht ein Schauer aus schnellen Elektronen. Diese Elektronen sind bereits so energiereich, dass sie im schwachen Wolkenfeld nicht mehr abgebremst, sondern weiter beschleunigt werden. Physiker sprechen von Ausreißerelektronen, die auf ihrem Weg weitere Elektronen freisetzen und eine Lawine bilden, für die das gemessene Feld tatsächlich ausreicht. Der Blitz wäre dann kein irdisches Ereignis allein, sondern bräuchte einen Anstoß aus der Milchstraße.
Für diese Idee spricht, dass Gewitter tatsächlich Röntgen- und Gammastrahlung abgeben, was ohne Ausreißerelektronen kaum zu erklären ist. Satelliten registrieren seit 1994 kurze Gammablitze aus Gewitterwolken, und am Boden messen Detektoren Röntgenpulse kurz vor dem Blitz. Dagegen spricht, dass der Teilchenfluss aus dem All zu gering scheint, um jeden der vielen Blitze zu starten, die ein Gewitter innerhalb weniger Minuten erzeugt. Wie viel Energie einzelne Teilchen aus dem Weltall überhaupt mitbringen können, zeigt ein Photon mit 300 Teraelektronenvolt, das eigentlich nie bis zur Erde hätte gelangen dürfen.
Im Jahr 2019 gelang ein Blick in die Wolke, der vorher unmöglich war. Ein Team um Brian Hare von der Universität Groningen nutzte das Radioteleskop LOFAR, ein Netz aus Tausenden Antennen in den Niederlanden, das eigentlich ferne Galaxien beobachtet. Blitze senden Radiowellen aus, und mit LOFAR ließ sich der wachsende Entladungsbaum mit einer Auflösung von wenigen Metern und in Millionstelsekunden verfolgen. Dabei zeigte sich, dass die Radiopulse zu Beginn aus einem Bereich von nur etwa 70 Metern Durchmesser stammen und dass positive Leitkanäle winzige Nadeln ausbilden, die sich ständig neu aufladen. Der Blitz beginnt demnach nicht als einzelner Funke, sondern als Zusammenspiel vieler kleiner Entladungen in einem eng begrenzten Raum.
Eine dritte Theorie legte 2025 der Physiker Victor Pasko von der Pennsylvania State University vor. In seinem Modell erzeugen die ersten schnellen Elektronen Röntgenlicht, dieses Licht schlägt aus Luftmolekülen weitere Elektronen heraus, und die Rückkopplung aus Elektronen und Photonen schaukelt sich hoch, bis ein leitender Kanal steht. Das Modell erklärt auch, warum manche Blitze von Gammastrahlung begleitet werden, und es kommt ohne Teilchen aus dem All aus. Nach welchem dieser Mechanismen die Natur arbeitet, ist damit nicht entschieden, denn alle drei Erklärungen passen zu Teilen der Daten. Der Österreichische Blitzortungsdienst ALDIS hält in seiner Darstellung der Blitzentstehung fest, dass schon die Frage, warum sich die positive Ladung oben in der Wolke sammelt, nicht vollständig geklärt ist.
Ist der Kanal erst einmal angelegt, läuft der Rest nach bekannten Regeln ab. Ein Leitblitz tastet sich in Schritten von rund 50 Metern zum Boden vor, für das Auge unsichtbar, und trifft auf eine Fangentladung, die vom Boden aufsteigt. Erst wenn sich beide berühren, schießt der eigentliche Hauptblitz mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit nach oben und heizt den Kanal auf 30.000 Grad. Die Luft dehnt sich explosionsartig aus, und diese Druckwelle hören wir als Donner. Dass ein Gewitter noch andere Dinge vom Himmel bringen kann als Wasser und Licht, zeigt ein Ort in Honduras, wo es seit über 100 Jahren Fische regnet.
Warum diese letzte Phase so gut verstanden ist und die erste so schlecht, hat einen einfachen Grund: Der Hauptblitz ist hell, laut und messbar, der Anfang dagegen verbirgt sich in einer undurchsichtigen Wolke und dauert Bruchteile einer Millisekunde. Für die Lösung des Rätsels braucht es Messungen genau dort, wo bisher kein Instrument war. Radioteleskope wie LOFAR, Gammadetektoren auf Satelliten und Flugzeuge, die Gewitter in großer Höhe durchqueren, arbeiten daran. Bis dahin bleibt der Blitz das seltsame Phänomen, das jeder gesehen hat, das jede Sekunde Dutzende Male auf der Erde geschieht und dessen erster Moment sich der Physik noch immer entzieht.