Warum ist die Farbe von Blitz weiß oder blau und nicht nichts?

Wenn sich Wolken aufladen, erzeugen sie meines Wissens nach Funken, die für uns wie Blitze aussehen. Meine Frage ist, warum hat der Blitz eine Farbe? Es besteht aus Elektronen und sollte kein Licht ausstrahlen. Wenn es Licht ausstrahlt, nachdem es auf Luftteilchen gestoßen ist, dann sollte es nur Röntgenstrahlen ausstrahlen. Ist das korrekt?

Blitze senden elektromagnetische Strahlung über fast das gesamte Spektrum von Radiowellen bis zu Gammastrahlen aus. Wenn Sie sich vorstellen, dass sich die Elektronen bewegen, um einen Strom zu erzeugen (was im Grunde passiert, weil dies eine Entladung ist) und der Strom sehr abrupt ist, wie unterscheidet sich das dann von einer Antenne? Sie haben eine zeitlich veränderliche Strömung, die Wellen ausstrahlen kann. Natürlich ignoriere ich die Emission, die auftritt, wenn Elektronen aus Atomen und/oder Molekülen freigesetzt werden, und all die anderen Phänomene, die Blitze hervorrufen ...
@honeste_vivere Der Grund, warum die elektromagnetische Strahlung eine so nahezu gleichmäßige Verteilung aufweist, liegt darin, dass der Blitzeinschlag ein nahezu augenblickliches Signal ist. Sie könnten es als Dirac-Delta-Funktion modellieren, und als solche deckt sein Frequenzgang das gesamte Spektrum ab.
@Devsman - Die Dauer eines Blitzschlags ist "lang" im Vergleich zu der charakteristischen Zeit, die Sie benötigen würden (kurz im Vergleich zur Periode des Lichts. Wenn Licht eine Frequenz von ungefähr 500 THz hat, müsste die Impulsdauer kleiner sein als 2 fs für spektrale Verbreiterung. Jetzt könnte die mittlere freie Weglänge von Atomen im Blitzschlag zu einer spektralen Verbreiterung führen ... aber nicht die "nahezu augenblickliche" Natur des Schlags selbst ( etwa 30 µs . Es ist einfach nicht so schnell.
„Wenn es Licht ausstrahlt, nachdem es auf Luftpartikel gestoßen ist, dann sollte es nur Röntgenstrahlen ausstrahlen. Ist das richtig?“ Wie kann das richtig sein? Wir können Blitze sehen!
@LightnessRacesinOrbit: Das ist die Frage. Wie die Antwort von Floris erklärt, werden sichtbare Photonen durch einen anderen Prozess erzeugt (thermisch, T = 30.000 K).
@MSalters: Die Frage zu stellen scheint angebracht, wenn die Frage in sich widersprüchlich ist: "Wie können wir Blitze sehen? Ist es nicht wahr, dass wir keine Blitze sehen können?"
@LightnessRacesinOrbit nein, die Frage lautet: "Ich dachte, der Mechanismus wäre A, aber ich beobachte B. Warum ist der Mechanismus dann nicht A?"

Antworten (2)

TL;DR: Luft in Blitzen wird heiß. Heiße Dinge (wie die Sonne) emittieren Licht in einem breiten Spektrum; einschließlich sichtbar. Sie haben Recht, es wird Emissionen außerhalb des Sichtbaren geben - aber Ihr Auge nimmt das nicht auf. Der Blitz sieht also für das menschliche Auge bläulich-weiß aus.

Vollständigere Antwort:

Das Licht, das Sie sehen, ist das Ergebnis davon, dass die Luft sehr, sehr heiß wird.

Und so wie die Sonne, die sehr heiß ist, weiß ist, so ist es auch der Blitz.

Elektronen können je nach Verzögerungsrate Strahlung in einem breiten Energiebereich emittieren. Wenn sie in einer Röntgenröhre auf ein Wolfram-Target treffen, bremsen sie sehr plötzlich von einem sehr hohen Startpunkt ab – also Röntgenstrahlen. Wenn sie mit "hohen thermischen" Energien beginnen und durch Auftreffen auf Luftmoleküle (niedrigeres Z, geringere Dichte) verlangsamen, ähnelt ihr Spektrum eher einem Schwarzkörperspektrum. Ein heißer schwarzer Körper - weiß. Aber es gibt auch eine Röntgenkomponente in Blitzen – man kann sie einfach nicht sehen, und das meiste davon wird in der Luft absorbiert, bevor es Sie erreicht.

Denken Sie auch daran, dass ein sehr helles Objekt mit nur einem kleinen Bruchteil seiner Emission im sichtbaren Spektrum immer noch weiß (oder bläulich) „aussieht“. Zur Veranschaulichung ist hier eine Berechnung des Spektrums für Sonnenlicht (5700 K) und Blitz ( sehr ungefähr 30.000 K) - offensichtlich ändert sich die Temperatur während des Einschlags und von einem Einschlag zum anderen; aber das meiste Licht wird dabei erzeugt heißesten, mit dem Üblichen T 4 Beziehung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes vorherrschend). Ich habe das Diagramm für Blitze zum Vergleich der Form auf maximal 1,0 skaliert und es dann so skaliert, dass Sie seine Form mit der Form des Sonnenlichts vergleichen können. Tatsächlich ist die Intensität bei 30.000 K VIEL heller als Sonnenlicht - wenn ich für alle Kurven denselben Skalierungsfaktor verwenden würde, würden Sie nicht viel sehen ...

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie können sehen, dass Blitze (bei einer angenommenen Temperatur von 30.000 K) hauptsächlich "Licht" im UV abgeben - aber es gibt eine Komponente im Sichtbaren, die bläulich ist - die unsere Augen jedoch als weiß wahrnehmen.

Wenn Sie die Kurven auf die gleiche logarithmische Skala bringen, können Sie sehen, dass die Intensität bei der höheren Temperatur für alle Wellenlängen größer ist:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Weiterführende Literatur: http://phys.org/news/2008-07-scientists-source-x-rays-lightning.html

Zitat aus diesem Artikel:

„Niemand versteht, wie Blitze Röntgenstrahlen erzeugen“, sagte Martin Uman, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik. „Obwohl Temperaturen erreicht werden, die fünfmal heißer sind als die Sonnenoberfläche, ist die Temperatur von Blitzen immer noch tausendmal zu kalt, um die beobachteten Röntgenstrahlen zu erklären.“

Zwei abschließende Gedanken:

  1. Bei dem Druck und der Temperatur im Inneren des Blitzes (sofortige Erwärmung auf 30.000 K sollte den Druck lokal auf 100 bar erhöhen) erhalten Sie eine signifikante spektrale Verbreiterung - d.h. Doppler-Verbreiterung (Atome bewegen sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf den Beobachter zu oder von ihm weg, bei einer Geschwindigkeit von etwa 5000 m/s) und Kollisionsverbreiterung (kurze Zeit zwischen Kollisionen "setzt" die natürlichen Schwingungen zurück - bei hoher Temperatur und hohem Druck kann die charakteristische Zeit zwischen Kollisionen kurz genug werden, um eine Rolle zu spielen). Diese Dinge spielen in den Hochdruck-Entladungslampen, die in anspruchsvollen Beleuchtungsanwendungen verwendet werden (Spektrum von http://www.lamptech.co.uk/Images/Illustrations/SO%20SPD 's.jpg):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Eine solche spektrale Verbreiterung wird dazu beitragen, das Licht noch etwas "weißer" zu machen.

  1. Die Frage der Röntgenstrahlen wurde im obigen Zitat angesprochen. Es ist durchaus möglich, dass einige der hochenergetischen Elektronen (die immerhin in einem Feld von Tausenden von V/m beschleunigen) eine beträchtliche Strecke zurücklegen (und daher eine erhebliche Energie erhalten), bevor sie auf ein Luftmolekül treffen – ihre plötzliche Verzögerung kann dann zu führen höhere Energieemissionen, einschließlich Röntgenstrahlen. Das Vorhandensein solcher beschleunigter Elektronen wird durch das Strahlungsmodell des schwarzen Körpers nicht gut beschrieben, und es sollte daher nicht überraschen, dass es Dinge "jenseits des vorhergesagten Spektrums" gibt.
Ihr letztes Zitat ist überraschend, weil sein Autor zu erwarten scheint, dass die Röntgenstrahlenerzeugung thermisch erfolgt. Ein Blitz ist ein Gigavolt-Elektronenbeschleuniger mit vielen scharfen Ecken; Bremsstrahlung und/oder Synchrotronstrahlung sollten natürlich folgen, aber ich weiß nicht viel über die Details.
@rob - Ich stimme zu, es scheint, dass hier nicht-thermische Elektronen im Spiel sind, aber ich glaube nicht, dass ein Elektron das GV-Energieniveau erreicht, ohne zu interagieren. Vielleicht haben "spätere" Elektronen jedoch einen längeren mittleren freien Weg und daher eine bessere Chance, Bremsstrahlung zu erzeugen, wenn sich das Gas ausdehnt. Und sie "kommen zuerst dort an", weil der Brechungsindex von Luft bei höheren Energien näher bei 1.000 liegt. Könnte es sein?
@rob Lightning ist ziemlich verrückt, er kann sogar Antimaterie erzeugen. dx.doi.org/10.1029%2F2010GL046259
@dr.honey – hier ist die TL;DR: Luft im Blitz wird heiß. Heiße Dinge (wie die Sonne) emittieren Licht in einem breiten Spektrum; einschließlich sichtbar. Sie haben Recht, es wird Emissionen außerhalb des Sichtbaren geben - aber Ihr Auge nimmt das nicht auf. Der Blitz sieht also für das menschliche Auge bläulich-weiß aus.
Danke floris. Aber wie können wir Em-Wellen außerhalb des sichtbaren Spektrums sehen?
@dr.honey - gut. Ich habe den Kommentar in die Antwort bearbeitet.
Wir können EM-Wellen außerhalb des sichtbaren Spektrums „beobachten“, indem wir elektronische Geräte mit einer Empfindlichkeit jenseits der des Auges verwenden. Ein Radio ist ein solches Gerät; ebenso der Detektor eines Röntgengeräts, einer IR-Kamera, ...

Die Hochspannung des Blitzlichtbogens trennt Elektronen und Ionen und bildet kurzzeitig ein Plasma. Wenn die Elektronen und Ionen wieder zu einem Gas rekombinieren, fallen die zuvor freien Elektronen in einem Orbit um ihre Ionen auf einen niedrigeren Energiezustand, und die Energiedifferenz wird als Licht emittiert. Dies ist der helle Blitz, den Sie sehen. Außerdem wird das neu rekombinierte Gas sehr heiß sein, sodass es kurz glüht. Das Volumen des heißen Gases ist ziemlich klein, sodass es schnell abkühlen und aufhören kann zu glühen.

Warum ist die Farbe von Blitz weiß oder blau und nicht nichts?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v