Könnten Wolken an Flugzeugflügeln Blitze erzeugen?

Blitze treten auf, wenn sich innerhalb einer Wolke eine elektrische Ladung aufbaut, die auf statische Elektrizität zurückzuführen ist, die von unterkühlten Wassertröpfchen erzeugt wird, die mit Eiskristallen nahe dem Gefrierpunkt kollidieren. Wenn eine ausreichend große Ladung aufgebaut ist, tritt eine große Entladung auf und kann als Blitz gesehen werden (aus Wikipedia ).

Sie brauchen also zwei Dinge, damit ein Blitz auftritt – ein Ladungsaufbau an einem Ort und ein Ladungsgradient (Unterschied in der Ladung, wie z. B. zwischen zwei Wolken oder einer Wolke zur Oberfläche), damit ein Blitz auftritt.

Auf dieser Grundlage besteht kaum eine Chance für einen Ladungsaufbau und eine Entladung in der Kondensation über den Flügeln – sie ist zu kurzlebig für einen Ladungsaufbau in sich selbst, und die Ladungen über den Flugzeugflügeln werden durch die statischen Dochte in den Hinterkanten abgeleitet – so auch keine Chance, dass "Wolke" an die Flügeloberfläche gelangt.

Reibung erzeugt statische Elektrizität

Prinzipiell haben Sie recht: Elektronen werden durch Reibung in der Grenzschicht und anderen Reibungsflächen von Luft- oder Wasserdampfmolekülen getrennt. Sofort werden zwei Arten von statischer Elektrizität erzeugt: Negativ, wo sich einige abgerissene Elektronen befinden, und positiv, wo sich Luftmoleküle mit einem fehlenden Elektron befinden (diese Moleküle werden "Ionen" genannt, um auf ihr elektronisches Ungleichgewicht hinzuweisen).

Ionen werden natürlich neutralisiert

Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich jedoch an, die Ionen rekombinieren bald mit ihren getrennten Elektronen hinter dem Flugzeug, die Anzahl der isolierten Ionen oder Elektronen – das „elektrische Potential“ – baut sich zu keinem Zeitpunkt auf, so dass eine Potentialdifferenz mit entsteht der Boden, eine andere Masse oder zwischen Ionen und Elektronen reicht aus, um eine signifikante elektrostatische Entladung zu erzeugen.

^{Beachten Sie, dass die Rekombination durch das Wasser in der Luft beschleunigt wird, da Wasser – mit Verunreinigungen – ein besserer elektrischer Leiter ist als trockene Luft. Kondensation hilft nicht bei der statischen Aufladung in Flugzeugen.}

Für Blitze sind enorme Potentialunterschiede erforderlich

Die Potentialdifferenz wird in Volt* gemessen. Pro Millimeter trockener Luft sind 3.000 V erforderlich, um einen elektrostatischen Durchschlag auszulösen – die in einer Autozündkerze verwendete Spannung beträgt etwa das Zehnfache dieses Wertes, um einen guten Funken zu gewährleisten – oder 3 GV pro km.

^Quelle

Wenn die Elektronen auf der Flugzeugoberfläche eingefangen wären, würde das Potential des Flugzeugs den Wert erreichen, der erforderlich ist, um einen Blitz mit dem Boden zu erzeugen :-)

Warum blitzt es also bei Wolken, aber nicht bei Flugzeugen?

Die Reibungsfläche der Flügel ist lächerlich klein im Vergleich zur Reibungsfläche in der riesigen Cumulonimbus-Wolke. Die erzeugte statische Elektrizität liegt nicht in derselben Größenordnung. Das ist ein erster Grund, aber es gibt auch einen signifikanten Unterschied im Verhalten der Ladungen.

Bei natürlichen Blitzen werden die Elektronen und die positiven Ionen durch den heftigen Wind in bestimmten Wolken erzeugt. Anders als bei einem Flugzeug werden geladene Teilchen jedoch aus noch nicht ganz verstandenen Gründen physikalisch getrennt : Positive Ionen bewegen sich an der Spitze der Wolke, während sich negative Ladungen in der Mitte bewegen, wo sie sich vorübergehend mit neutralen Molekülen verbinden, um sich zu bilden negative Ionen.

Unten bewegt sich auch eine kleinere Menge positiver Ionen. Dieser positive Wolkenboden bewegt auch negative Ladungen des Bodens an seinem Nadir, was wiederum die Dicke der Luftschicht zum Durchwandern verringert und gleichzeitig den elektrischen Feldgradienten erhöht.

^Quelle

Wenn die Reibung in der Wolke anhält, steigt das elektrische Potential an, bis die Potentialdifferenz zwischen dem Boden der Wolke und der Erde die für einen Durchbruch erforderliche Spannungsschwelle erreicht. Die enorme Hitze des Lawinendurchbruchs erzeugt Plasma, das von überschüssigen Partikeln verwendet wird, um sich mit dem attraktiven Boden zu verbinden. Dieses Phänomen ist komplex und auch noch nicht vollständig geklärt.

^{*: Das Volt ist das elektrische Potential, das erforderlich ist, um mit einer Ladung von einem Coulomb ein Joule Arbeit zu erzeugen. Siehe diese schöne Seite für weitere Details.}

Kann diese Wolke, die sich über dem Flügel eines Flugzeugs bildet, Blitzaktivität erzeugen, genau wie einige andere Arten von "normalen Wolken"?

Nein. Blitze benötigen große, langlebige Wolken, in denen warme, feuchte Luft aufsteigen, kondensieren und wieder fallen kann. Diese Art von Struktur kann in einer Wolke, die so klein und temporär ist wie ein Kondensstreifen, nicht existieren.

Die Wikipedia-Seite über Gewitter enthält viele Informationen darüber, was benötigt wird.

Was Sie über den Flügeln sehen, ist Kondensation , aber technisch gesehen keine Wolke.

Wolken schweben aufgrund längerer Sättigung in der Atmosphäre. Kein lokalisierter momentaner Druckabfall.

Diese Kondensationen lösen sich so schnell auf, wie sie sich gebildet haben, es bleibt nicht genug Zeit, um sie aufzuladen.

TL-DR : Blitze werden nicht durch die Verfügbarkeit freier Elektronen ermöglicht (ein sehr häufiges Vorkommen in der Natur und insbesondere in der Atmosphäre), sondern durch die Existenz einer nichtelektrischen Kraft, die positive und negative Ionen trennt (trotz ihrer elektrostatische Anziehung), über Skalen, die groß genug sind, um zu einem großen, plötzlichen Anstieg der Anzahl freier, energiereicher Elektronen zu führen, sobald ein Schwellenwert des elektrischen Felds erreicht ist. Über der Oberfläche eines Metalls existieren keine derartigen Kräfte.

Alle bisherigen Antworten sind richtig, berühren aber nebenbei (und hier nicht alle) die zentrale Voraussetzung für die Entstehung von Blitzen: die Aufrechterhaltung einer großräumigen Ladungstrennung, also im Kilometermaßstab.

Gase zu ionisieren ist ziemlich einfach, und alle Arten von Kräften sind in der Lage, die Verbindungen zwischen den äußersten (und am wenigsten gebundenen) Elektronen von ihren (passenderweise als) Donoratomen zu trennen. Dies geschieht jedoch ziemlich gleichmäßig über ein durchschnittliches Gas wie die Erdatmosphäre, was bedeutet, dass es in jedem gegebenen mikroskopischen Volumen so viele positive wie negative Ionen gibt. Das resultierende elektrische Feld verschwindet fast, und es ist unmöglich, das für eine Blitzentladung erforderliche große elektrische Feld (ungefähr 3 GV pro km, wie von mins angegeben ) zu erreichen .

Auf einem Flugzeugflügel, der ein ausgezeichneter Leiter ist, neigen beispielsweise elektrische Kräfte dazu, die positiven und die negativen (=Elektronen) Ionen sehr nahe beieinander zu halten, und es wird niemals ein großflächiges elektrisches Feld erzeugt.

Der Schlüssel zur Erklärung des Blitzes ist, dass es andere Kräfte gibt, die dazu neigen, Elektronen und positive Ionen über sehr große Entfernungen auseinander zu ziehen. Dies wurde bereits von Mins (obwohl ich weniger deutlich glaube) und von David Rickerby festgestellt . Die Tatsache, dass die Natur dieser Kräfte nicht klar verstanden wird, ändert nichts an der Tatsache, dass Blitze dadurch möglich werden.

Es ist leicht zu verstehen, warum so große elektrische Felder notwendig sind: Ein Elektron, das auf ein neutrales Atom trifft, kann es ionisieren, wodurch ein weiteres Elektron freigesetzt wird, das dann doppelt so viele freie Elektronen produziert wie in unserer Ausgangssituation, in der wir nur ein Elektron haben. Aber bei der Ionisierung eines neutralen Atoms verliert das ursprüngliche Elektron Energie und ist möglicherweise nicht in der Lage, ein anderes Atom zu ionisieren, wenn die nächste Kollision stattfindet, und/oder es könnte ein neues Elektron erzeugen, das ebenfalls nicht genug kinetische Energie hat, um das nächste zu ionisieren neutral trifft: also keine Kaskade, also keine Zunahme der Elektronenzahl, also kein Blitz.

Es sei denn ... das elektrische Feld ist so stark, dass es die Energie des ursprünglichen Elektrons (und natürlich auch seiner neu gebildeten Brüder) zwischen Kollisionen mit genügend Energie auffüllt, um auch den nächsten Neutralleiter zu ionisieren. Mit anderen Worten, die Elektronen versorgen sich zwischen den Kollisionen dank des elektrischen Feldes wieder mit Energie, um den Prozess erneut zu starten. Dies erklärt die 3 GV pro km: Die zur Ionisierung eines lose gebundenen Elektrons erforderliche Energie beträgt ungefähr 3 eV, und der Weg zwischen Kollisionen in der Atmosphäre beträgt ungefähr 0,0001 cm. Dies impliziert, dass ein einzelnes Elektron über einen Kilometer (dank des elektrischen Feldes) 3 GeV erhält, was einem Potenzialabfall von 3 GV über 1 km entspricht, genau die Zahl von Minuten .

Das Obige erklärt auch die plötzliche Entladung : Wenn dann das elektrische Feld den oben genannten Schwellenwert überschreitet, verdoppelt sich die Anzahl der Elektronen bei jedem Stoß: Der typische Abstand in Luft zwischen Stößen beträgt 0,0001 cm , so dass auf 1 km ein guter Wert für Je nach Wolkendicke würde ein einzelnes Elektron eine Kaskade von 2^10^9 Elektronen erzeugen. Diese Zahl ist unrealistisch groß (die Gesamtzahl der erzeugten freien Elektronen ist begrenzt durch die endliche verfügbare Energiemenge, ungefähr die eines Kondensators der Größe 1 km und des elektrischen Feldes 3 GV pro km), aber es gibt eine gute Vorstellung davon, wie ein Blitz plötzlich ist veröffentlicht. Dies ist tatsächlich eine Kaskade, ein plötzlicher Zusammenbruch des Vakuums. Bei niedrigeren Werten des elektrischen Felds haben die neu gebildeten Elektronen nicht genügend Energie, um den nächsten Neutralleiter zu ionisieren, auf den sie treffen; bei größeren Werten werden sie dies tun, was zu einem plötzlichen Anstieg ihrer Anzahl führt.

Flugzeug erzeugt Blitze? JAWOHL. Das elektrische Feld des Gewitters wird durch das Flugzeug multipliziert und kann Blitze auslösen.
https://www.scientificamerican.com/article/what-happens-when-lightni/

Wolken, die sich über dem Flügel eines Flugzeugs bilden, erzeugen Blitzaktivität, genau wie einige andere Arten von "normalen Wolken"? NEIN. Die Ladung, die es hypothetisch erzeugen kann, ist um eine Größenordnung kleiner, wenn sie überhaupt erzeugt wird.