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Einleitung
In vielen Bereichen des Lebens entstehen durch Überspannungen Beeinträchtigungen oder auch Schäden. Vom Grundsatz her kann man dabei zwischen natürlich entstandenen Überspannungen (die in aller Regel durch atmosphärische Entladungen, auch Blitze genannt) und technisch entstandenen Überspannungen (die in aller Regel durch Schalthandlungen in der Stromversorgung entstehen) unterscheiden. In diesem Beitrag geht es im wesentlichen um die Überspannungen, die durch atmosphärische Entladungen entstehen und dabei Menschenleben und Sachwerte gefährden.
Beispielsweise sind seit jeher die Berge ein besonderer Anziehungspunkt für Menschen und Gewitter. Genaue Zahlen liegen dem Autor nicht vor, aber alleine im Bereich des Kleinwalsertals kommt es jährlich zu 10 bis 20 akuten Personengefährdungen durch Gewitter und durchschnittlich zu ein bis zwei Toten jährlich durch Blitzschlag. Auch einzelne Sportarten, zu denen beispielsweise der Golfsport gehört, sind besonders gewittergefährdet. Amerikanischen Angaben zufolge sollen die meisten Blitztoten in den USA beim Golfsport ums Leben gekommen sein. Aber auch anderweitig sind Menschenleben oft durch Gewittertätigkeiten gefährdet. Hierzu gehören die Arbeiter an Freileitungsnetzen, Fensterreiniger an großen Gebäuden, Bergwanderer, Kletterer, Badegäste in Badeseen und Badeanstalten sowie Arbeiter auf großen freien Flächen, wie beispielsweise dem Vorfeld, Rollfeld oder der Start- und Landebahn eines Flughafens. Ein besonders kritischer Punkt sind Flugzeuge im Landeanflug auf einen Flughafen, wenn sie durch eine oder unterhalb einer Bewölkung fliegen müssen, aus der nicht durch Blitztätigkeit erkennbar ist, das Gewitterpotential in ihr steckt. Löst in einem solchen Fall das Flugzeug den Erstblitz aus, kann es durchaus zu der Wiederholung eines Flugunfalles kommen, wie er Ende der 80iger Jahre passiert ist. Hier war ein Flugzeug im Landeanflug auf den Flughafen Düsseldorf beim Unterfliegen einer Gewitterzelle von dem Erstblitz getroffen worden. Sämtliche Instrumente des Flugzeuges waren ausgefallen und das Flugzeug stürzte ab. Hier war der Verlust von 25 Menschenleben zu beklagen.
Auch durch die Verkettung von unglücklichen Umständen kann es durch Blitzschlag durchaus zu Unfällen kommen. So hat es beispielsweise auf einem deutschen Flughafen vor nicht allzu langer Zeit einen spektakulären Unfall gegeben. Von einem Blitz getroffen, machte sich eine Fahrgastbrücke "selbständig", fuhr unkontrolliert los und verursachte dabei einen Unfall mit Personenschaden.
Die Fülle der Störungen und Schäden im technischen Bereich aufzuzählen, sprengt sicherlich den Rahmen dieses Artikels. Deshalb wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf verzichtet. Es werden jedoch noch einige markante Beispiele im letzen Teil dieses Artikels beschrieben.
Im nächsten Teil wird der meteorologische Background, sowie die von der Spherics Meß- und Analysetechnik GmbH völlig neu entwickelte Meßtechnik beschrieben, mit deren Hilfe es möglich ist, die Entstehung von Gewitterzellen rechtzeitig genug zu orten, die Entwicklung einer Gewitterzelle zu beobachten und daraus abgeleitet eine entsprechende Vorwarnung an den interessierten Kunden zu liefern. Den Kollegen der elektrischen Zunft sei hier ausdrücklich versichert, dass dieser Teil zwar mit meteorologischen Fachausdrücken gespickt ist, letztendlich aber auf die gleiche Physik und auf die gleichen Grundlagen zurückzuführen ist, wie wir Elektrotechniker sie aus den allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik hinreichend genau genug kennen.
Meteorologischer Hintergrund
Bereits vor 200 Jahren wies Benjamin Franklin nach, dass Blitz und Donner die Folge elektrischer Entladungen sind. Auch die Erfindung des Blitzableiters geht auf ihn zurück.
Der Franzose d'Alibard stützte sich auf diese Ideen, baute 1752 in Marly auf einem freien Platz ein Schilderhäuschen mit einer hohen Eisenstange, die bis ins Innere des Häuschens reichte auf und beobachtete bei Gewitter die Funkenbildung am unteren Ende der Stange. Im selben Jahre löste Franklin mittels eines an einem elektrisch leitenden Draht befindlichen Drachens mit Metallspitze aus einer Gewitterwolke einen Blitz aus. Das eindrucksvolle Experiment nahm für ihn ein gutes Ende. Viele Menschen haben beim Einschlag von Blitzen in ihrer Umgebung weniger Glück.
Infolge Blitzeinwirkung starben nach Angaben des Amerikanischen Wetterdienstes zwischen 1959 und 1994 3239 Personen, 9818 wurden in diesem Zeitraum infolge Blitzeinwirkung verletzt. Damit fordern Gewitter mehr Menschenleben und Verletzte als die meisten anderen Naturgefahren. Darüber hinaus richten Blitze hohe materielle Schäden an, z. B. sind sie die Hauptursache natürlicher Brände. Für die empfindlichen elektronischen Geräte, die ein unverzichtbarer Bestandteil unserer modernen Welt geworden sind, bilden Blitze eine hohe Gefahr. Mit zunehmender Technisierung wächst das Gefahrenpotential an. Zwar hat der Mensch Vorrichtungen entwickelt, die in der Lage sind, technischen Einrichtungen immer besseren Schutz zu geben. Gleichzeitig hängt aber seine Lebensqualität und das Funktionieren der Wirtschaft immer mehr vom Funktionieren sensibler Technik ab. Schon kleinste technische Schäden oder Ausfälle können beträchtliche ökonomische Konsequenzen nach sich ziehen.
Um so schlimmer ist es, wenn größere Schäden auftreten. Denken wir beispielsweise an den Ausfall eines Rechenzentrums. Die Zerstörung von Rechenanlagen durch die infolge eines Blitzschlages ausgelösten Überspannungen wären unter Umständen für ein Unternehmen noch zu verkraften. Der Verlust der Datenbestände hätte dagegen katastrophale Auswirkungen. Im Folgenden sollen die Bedingungen für die Blitzentstehung und die Schutzmöglichkeiten für technische Geräte diskutiert werden.
Blitzquellen
Die meisten Blitze werden von hoch reichender Quellbewölkung, dem sogenannten Cumulonimbus, produziert. Solch eine Gewitterwolke, die eine durchschnittliche Lebensdauer von 1 Stunde besitzt, kann nur unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen entstehen. Voraussetzung dafür ist grundsätzlich feuchte, labil geschichtete Luft. Labilität heißt hier, dass ein Partikel, wenn es erst einmal angestoßen wurde, sehr weit nach oben aufsteigen kann. Grundsätzlich sind während der meisten Wolkenbildungsprozesse Formen der Konvektion, d. h. vertikale Luftströme und -transporte, wirksam. Man unterscheidet dabei generell die durch Auftriebskräfte hervorgerufene freie Konvektion oder Thermik und die aus dem Wirken dynamischer Faktoren resultierende, erzwungene Konvektion. Freie Konvektion ist das Ergebnis von kleinräumigen Dichteunterschieden, die unter anderem durch lokale Überhitzung der Erdoberfläche hervorgerufen werden können. Durch Sonneneinstrahlung werden Teile der Erdoberfläche stärker erhitzt als die Umgebung. So etwas passiert z. B. an Südhängen; für den Wanderer "steht" in solchen Gebieten die Luft, da der erhitzte Erdboden einen Großteil der Energie an die bodennahen Luftschichten abgibt. In diesen Gebieten ist die Luft spezifisch leichter als in der Umgebung. Die erhitzten Luftpakete "kleben" erst einmal infolge Reibung am Untergrund. Kleinste Störungen sorgen irgendwann einmal für ein Ablösen der Pakete und deren Aufsteigen. Eine Wolke ist noch nicht zu sehen. Der Segelflieger nutzt diese sogennante Trockenthermik aus, um sein Flugzeug langsam nach oben zu schrauben. Aus seiner Erfahrung heraus kennt er die Gebiete über denen mit Thermik zu rechnen ist. Die aufsteigende Luft kühlt sich nun soweit ab, bis der in ihr enthaltene Wasserdampf zu kondensieren beginnt. Die ersten flachen Quellwolken sind dann zu erkennen.
Die weitere Entwicklung hängt nun davon ab, inwieweit die Menge frei werdender Kondensationswärme ausreicht, die Abkühlung des Luftpaketes beim weiteren Aufsteigen soweit zu verringern, dass es noch wärmer als die umgebende Luft bleibt und damit der Auftrieb am Leben erhalten wird. Irgendwann einmal ist die Wolkenluft kälter als die der Umgebung. Zu diesem Zeitpunkt kommt die Konvektion zum Erliegen. Für die Entscheidung, ob es zum Gewitter kommen wird oder nicht, ist die vertikale Erstreckung der Wolke entscheidend. Das für die Blitzauslösung notwendige starke elektrische Feld kann sich nur ausbilden, wenn hinreichende Ladungstrennungsprozesse in der Wolke stattfinden. Diese wiederum hängen entscheidend von Umlagerungsprozessen und von der Verteilung von flüssigem und festem Wasser innerhalb der Wolke ab. Das Flüssigwasser gefriert nicht sofort, sondern bleibt in einem großen Temperaturbereich in unterkühlter Form erhalten. Selbst bei einer Temperatur von -10 °C liegt die Häufigkeit von reinen Wasserwolken noch bei über 40%. Erst bei Erreichen der -12 °C-Isotherme setzt eine merkliche Eisbildung ein. Das gleichzeitige Vorhandensein von stark unterkühlten Wassertropfen und insbesondere von Graupel und Eiskristallen bildet eine wichtige Voraussetzung für die Prozesse zur Ladungstrennung.
Die Häufigkeit von Gewittern und Blitzen und ihre räumliche Verteilung
In der Meteorologie zählt man die Tage, an denen an einem Standort Gewitter beobachtet wurden, als Gewittertage. Dabei ist entscheidend, dass ein Donner gehört wird, unabhängig davon, ob ein Blitz zu sehen war oder nicht. Gewitter und Gewittertage können sehr unterschiedliche Intensität besitzen. Dadurch sind solche Angaben nur sehr schwer miteinander vergleichbar. Man war deshalb bestrebt, die subjektiven Beobachtungen durch objektive zu ersetzen sowie den Forderungen der Wirtschaft nach Angaben über die Intensität entgegenzukommen. Blitzortungssysteme ermöglichen die Lokalisierung von Blitzen auf einige 100m genau, deren zeitliche Zuordnung, die Bestimmung der Blitzstromstärke sowie die Unterscheidung nach Wolke-Erde - bzw. Wolke-Erde-Blitzen.
Die Gewitteraktivität weist in Deutschland starke regionale Unterschiede auf. Eigenschaften des Untergrundes, wie Bewuchs, Land- oder Wasseroberfläche, Jahreszeit, geographische Breite, die Entfernung zum Meer und die Orographie bestimmen die Gewitterverteilung
Je nach Entstehung unterscheidet man verschiedene Gewitterarten. Letztendlich ist dabei entscheidend, welcher Vorgang zur Auslösung der Vertikalbewegungen führt.
Entstehen die Gewitter durch sommerliche Überhitzung, spricht man von Wärme- oder luftmasseninternen Gewittern. Diese entstehen durch Überhitzung von Teilen des Untergrundes entsprechend dem oben beschriebenen Mechanismus.
Wird die Gewitterentstehung durch labile Umlagerungen an der Grenzfläche zwischen zwei Luftmassen ausgelöst, spricht man von Frontgewittern. Die dritte Art, die orographischen Gewitter, werden durch die Bodengestaltung, z. B. durch Hebung der einen Berg überströmenden Luft, hervorgerufen. In bestimmten Situationen ist eine Zuordnung nur schwer möglich. So werden beispielsweise Frontgewitter durch orographische Effekte verstärkt.
Orographische und Frontgewitter sind in unseren Breiten während des ganzen Jahres zu erwarten, Wärmegewitter bevorzugt im Sommer.
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| Bild 1: Jahresgänge verschiedener Gewittertypen Abbildung (a) zeigt die zeitliche Verteilung der mittleren Monatsblitzsummen für vier Gewittertypen dargestellt. Abbildung (b) zeigt für jedes Monat die Anzahl der Tage, an denen der entsprechende Gewittertyp jeweils festgestellt wurde.(n. Dinnes) | |
Die Gewittertätigkeit ist dabei nicht nur jahreszeitlichen, sondern auch täglichen Schwankungen unterworfen.
Bild 2: Tagesgänge verschiedener Gewittertypen |
Die höchste Gewitteraktivität findet sich über dem Festland im Hochsommer und in der2. Nachmittagshälfte. Die zu dieser Zeit auftretenden Gewitter sind häufig Wärmegewitter, die lokal an Standorten mit hoher Sonneneinstrahlung und ausreichender
Feuchtezufuhr entstehen. Das Wetter ist schwül und schwach windig. Über See und im Küstenbereich sind im Spätherbst und im Winter erhöhte Aktivitäten zu beobachten. In dieser Zeit ist das Meer im Vergleich zur darüberliegenden Luft relativ warm und gewährleistet gleichzeitig eine ausreichende Feuchtezufuhr.
Frontgewitter können im Gegensatz dazu zu jeder Tages- und Jahreszeit auftreten. Sie sind weder an lokale Überhitzungen noch an die Orographie gebunden und stellen die Gewitter der kühlen Jahreszeiten. Zu all diesen räumlichen, tages- und jahreszeitlichen Variationen kommt noch ein großer Unterschied bei den Blitz- bzw. Gewitteraktivitäten von Jahr zu Jahr hinzu.
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| Bilder 3 a, b: Vergleich der Blitzdichte verschiedener Jahre Die Anzahl der Blitze pro Jahr und km2 ist verschiedenfarbig dargestellt. Die roten Flächen zeigen die Gebiete höchster Blitzaktivität. |
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Beispielsweise traten im Jahr 1994 mit einer Zahl von ungefähr 660.00 fast doppelt so viele Blitzeinschläge auf wie im Jahr 1996, in dem nur ca. 345.000 gezählt wurden.
Die Gewitterentstehung
Untersuchungen mit Radar und Flugzeugen haben gezeigt, dass die Bildung eines elektrischen Feldes in der Wolke eng mit dem Vorhandensein von Eiskristallen und unterkühlten Wassertropfen, die durch Zusammenwachsen Graupelkörner bilden, verbunden ist. In Laborstudien konnte nachgewiesen werden, dass Graupelkörner negative und Eiskristalle positive Ladungen tragen. Die leichten Eiskristalle werden mit dem Aufwind in obere Regionen der Wolke getragen, die Graupelkörner fallen in zentrale Bereiche der Wolke.
Prozesse solcher Art tragen wesentlich zur Ausbildung von Wolkenregionen bei, die entgegengesetzte Ladungen enthalten. Typisch ist dabei eine Region negativer Ladung im Gebiet mit einer Temperatur zwischen
Bild 4: Ladungsstruktur einer Gewitterwolke |
Hat die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert erreicht, werden die räumlich getrennten Ladungen ausgeglichen. Die zum Auslösen eines Blitzes erforderliche Feldstärke hängt vom Ionisierungsgrad der Luft ab und liegt zwischen 0,5 und 10 KV/cm.
Die Ausbildung eines Blitzes erfolgt in mehreren Phasen. Pakete negativer Ladungen bewegen sich stufenweise in Längen von ca. 50 m und einer mittleren Pausenzeit von 50 µs voran. Diese Vorentladungen bilden durch fortschreitende Ionisierung einen leitfähigen Kanal. Nähert sich der ca. 5 cm dicke Leitkanal dem Erdboden, schlägt ihm von dort aus ein Fangstrahl entgegen und leitet den Hauptblitz ein. Im Augenblick der größten Stromdichte steigt die Temperatur im Blitzkanal auf 20.000 bis 30.000 °C an. Der Explosionsknall wird als Donner wahrgenommen. Der Durchmesser des Kanals kann von wenigen cm bis 0,5 m variieren. Auch in der Länge gibt es eine große Schwankungsbreite: zwischen 1 und 15 km wurden beobachtet. Die Blitzstromstärke liegt zwischen wenigen und über 200 KA.
Die hohen Temperaturen halten noch einige Zeit die thermische Ionisation aufrecht. Dadurch können sich Folgeblitze ausbilden.
Blitzkanäle existieren nicht nur zwischen Wolke und Erde, auch innerhalb von Wolken bzw. von Wolke zu Wolke können sie sich ausbilden.
Bild 5: Relative Häufigkeit von Blitzen |
Blitze sind Quellen elektromagnetischer Impulse, die man als Atmospherics oder kurz Spherics bezeichnet. Der zeitliche Impulsverlauf eines Spherics ähnelt typischerweise dem einer gedämpften Schwingung, wobei das Spektrum dieses Impulses im wesentlichen auf einen Bereich zwischen 1 und 150 kHz konzentriert ist. Die Entstehung von Spherics ist dabei nicht allein auf sichtbare Blitze begrenzt. Messungen zeigen, dass auch konvektive Bewölkung ohne Gewitterzellenbildung bzw. in Entwicklungsstadien vor einem Gewitter Spherics emitiert. Auch hier bilden sich Ladungscluster, die über Koronaentladungen und die Ausbildung von Entladungskanälen zur Emission von Spherics führen. Die gemessene Leistung solcher Impulse liegt dabei deutlich unter der von Wolke-Erde-Blitzen.
Der Entwicklungszustand der Bewölkung und damit das Potenzial für Niederschläge und Gewitter ist mit typischen Eigenschaften der Spherics-Signale verknüpft. Eine sehr sichere Prognose solcher Wetterphänomene ist damit in Kombination mit einer flächendeckenden Datenerhebung möglich.
Die Firma SPHERICS Meß- und Analysentechnik GmbH aus Lichtenfels/Oberfranken hat ein System entwickelt, das die Messung von Spherics und ihrer Eigenschaften ermöglicht. Die Daten aus dem Meßnetz laufen in der Zentrale in Lichtenfels zusammen, werden dort interpretiert und bilden die Grundlage für kurzfristige Wetterprognosen. Damit eröffnen sichauch für den Blitzschutz neue Perspektiven, können doch über die Auswertung der Spherics-Messungen Gewitter präzise vorhergesagt werden und schon vor dem Auftreten von Blitzschlägen Schutz- bzw. Vorsorgemaßnahmen eingeleitet werden.
Problemstellungen und Lösungen
Genug der Theorie, nun lassen wir den Worten Taten folgen.
Im letzen Teil soll nun anhand einiger konkreter Beispiele aufgezeigt werden, welche Lösungsmöglichkeiten sich im Bereich des "Prädiktiven Blitzschutzes" ergeben (als "prädiktiv" ist hier "vorausberechnend" gemeint) und mit welchem technischen Aufwand von Seiten des Kunden hier gerechnet werden muss.
Für diejenigen Fachkollegen, die wider Erwarten den meteorologischen Teil übersprungen haben, hier noch einmal eine Angabe zu der räumlichen und zeitlichen Präzision der Vorhersagen. Der räumliche Bereich hängt im wesentlichen von der Größe der Gewitterzelle selbst ab und ist im Durchschnitt mit einem Radius von 5 km anzugeben. Der zeitliche Bereich erstreckt sich vom Beginn der ersten Messung der atmosphärischen Entladungen bis zum Zusammenbruch der Gewitterzelle und kann durchschnittlich mit zwei Stunden angegeben werden. Hier ist die Abweichung relativ weit gefächert. So kann beispielsweise im Frühsommer eine Gewitterzelle innerhalb einer halben Stunde entstehen und auch wieder zusammenfallen, so dass der zeitliche Verlauf deutlich unter einer Stunde liegen kann. Denkt man dagegen an ein Sommergewitter in einem Bergkessel, so kann sich der zeitliche Verlauf durchaus auch über mehrere Stunden ausdehnen. Dennoch gilt, dass sich die Vorhersage im Mittel über bis zu 2 Stunden erstreckt.
Zuerst noch einige Worte zur Technik.
Die SPHERICS Meß- und Analysetechnik GmbH hat einen Sensor entwickelt, der die in konvektiver Bewölkung (Quellbewölkung) natürlich vorkommende schwache elektromagnetische Strahlung (gleich schwache atmosphärische Entladungen) empfängt, auswertet und in einem zeitlichen Abstand von ca. 10 Minuten an die Zentrale in Lichtenfels übermittelt. Die empfangenen Daten der einzelnen Sensoren werden zusammengefaßt und den Meteorologen der SPHERICS Meß- und Analysetechnik GmbH automatisiert und visualisiert zur meteorologischen Auswertung zur Verfügung gestellt. Grundsätzlich können auch die Daten eines einzelnen Sensors für sich ausgewertet werden. Es hat sich jedoch als sehr sinnvoll erwiesen, einzelne Sensoren in unmittelbarer Nachbarschaft zu Sensornetzen zusammenzufassen. Geplant ist, bis zum Jahresende 2000 in der Bundesrepublik Deutschland ein Sensornetz, bestehend aus ca. 500 Einzelsensoren als Grundnetz aufzubauen. Der Abstand der einzelnen Sensoren untereinander wird dabei ca. 25 km betragen. Zusätzlich wird bei jedem Kunden ein weiterer Sensor für die Datenerfassung vor Ort installiert.
Im wesentlichen gilt beim prädiktiven Blitzschutz folgender zeitlicher Ablauf:
Beim ersten Auftreten von atmosphärischen Entladungen innerhalb eines Gebietes wird geprüft, in welche Richtung sich diese entstehende Gewitterzelle entwickeln wird. Beim Überschreiten der mit dem Kunden vereinbarten Wahrscheinlichkeit für ein Gewitter im Gebiet des Kunden wird die erste Warnung an ihn abgegeben. Die Warnmeldung selber ist immer mit dem Kunden exakt abgesprochen und erfolgt in einer beliebigen technisch sinnvoll realisierbaren Form, z. B. per E-Mail, per Fax, SMS-Nachricht auf ein Handy, Telefonanruf, Datenfernübertragung oder über das Internet.
In jedem Fall wird darauf geachtet, dass die Information den Kunden sicher erreichen, d.h. der Kunde bestätigt in aller Regel auch zurück, dass er die Nachricht erhalten hat.
Eine relativ einfache und damit auch kostengünstige Möglichkeit besteht in der Form einer telefonischen Warnung an den Kunden. Dieser hat dann die Möglichkeit, Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen und somit Menschenleben und/oder Sachwerte zu schützen. Von dieser Möglichkeit wird beispielsweise im Bereich von sportlichen Veranstaltungen Gebrauch gemacht, bei denen bei Golfturnieren die Spielleitung von der Tatsache in Kenntnis gesetzt wird, dass ein Gewitter im Anzug ist. Die Spielleitung kann dann im telefonischen Dialog mit dem diensthabenden Meteorologen entscheiden, ob und gegebenenfalls wann das Spiel abgebrochen bzw. unterbrochen wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei Sport- oder Freizeitveranstaltungen ist die Frage: "Kommt das Gewitter, das wir am Horizont sehen, auf uns zu und betrifft uns, oder nicht?" Auch hier kann in einem kurzen Telefonat von der Spiel- oder Veranstaltungsleitung abgefragt werden, ob die sichtbare Gewitterfront Gefährdungspotential für die Veranstaltung in sich birgt oder nicht.
Ähnlich kann bei Arbeitern auf einer Hochspannungsleitung, Fensterputzern an großen Gebäuden oder anderen Personen, die im Freien durch Gewitter gefährdet sind, verfahren werden. Durch rechtzeitige Meldung (z.B. über Handy) an die gefährdeten Personen kann deren Gefahr reduziert oder sogar völlig ausgeschlossen werden. Selbstverständlich liegt mit einer Prognosegenauigkeit von 85 % auch eine Fehlerquote von 15 % vor, aber lieber einmal zu oft den gefährdeten Bereich verlassen, als mit den Folgen eines Blitzschlages leben oder gar daran sterben zu müssen.
Im Bereich der meisten technischen Anlagen ist in aller Regel ein hohes Maß an Business Continuity gefragt.
So können beispielsweise Betreiber kleinerer und mittlerer EDV-Anlagen, bei denen die Laufzeit der Datensicherung kleiner als 30 Minuten ist, eine Datensicherung starten, die entweder aufgrund einer rechtzeitigen Warnmeldung an das IT-Personal oder vollautomatisch von der SPHERICS Meß- und Analysetechnik GmbH durch eine Meldung an den ATOP oder ein ähnliches Programm gestartet wird. Wird dann wirklich durch einen Blitzschlag technisches Equipment beschädigt, so stehen nach der erfolgreichen Reparatur oder der Wiederbeschaffung des Equipments zumindest sofort die aktuellen Daten zur Verfügung. Besteht keine aktuelle Datensicherung, müssen die seit der letzten Datensicherung verloren gegangenen Daten üblicherweise in einem erfahrungsgemäß zeit- und kostenintensiven Verfahren wieder hergestellt bzw. restauriert werden.
Größere EDV-Anlagen haben relativ häufig Laufzeiten für die Datensicherung, die über das zuvor beschriebene Maß deutlich hinausgehen. In vielen Fällen kann aber noch eine Differenzsicherung angestoßen werden, die letztendlich den gleichen Zweck, wie zuvor beschrieben, erfüllt.
Ein zweiter, sehr guter Ansatz für die Erhöhung der Betriebssicherheit eines größeren Rechenzentrums liegt in der Tatsache begründet, dass solche Rechenzentren in aller Regel mit einer USV-Anlage (und allerdings seltener mit einer Netzersatzanlage) betrieben werden. Mit Hilfe des prädiktiven Blitzschutzes kann bei rechtzeitiger Vorwarnung händisch oder automatisiert die Stromversorgung von der öffentlichen Stromversorgung über ein geeignetes Abschaltorgan auf interne Stromversorgung (USV-Anlage plus gegebenenfalls Netzersatzanlage) umgeschaltet werden. Hierbei muss allerdings beachtet werden, dass bei Nichtvorhandensein einer Netzersatzanlage die Abschaltzeit der öffentlichen Stromversorgung kleiner als die Laufzeit der USV-Anlage gewählt werden muss. Da die meisten USV-Anlagen eine Laufzeit von 10 bis 20 Minuten haben, sollte in so einem Fall entweder die Batteriekapazität auf ein vernünftiges Maß (30 bis 60 Minuten) erhöht oder die Anschaffung einer Netzersatzanlage erwogen werden.
Als Abschaltorgan reicht üblicherweise ein Leistungsschalter, welcher von einem potentialfreien Kontakt des prädiktiven Blitzschutzes geschaltet wird. Als sehr viel sinnvoller hat sich der Einsatz eines SURELINE-Modules erwiesen, welches zusätzlich Überspannungsschutzfunktionen erfüllt. Der Hauptnutzen eines SURELINE-Modules liegt nicht im Schutz vor transienten Überspannungen (diese werden üblicherweise mit einem gestaffelten Überspannungsschutz, bestehend aus Überstromableiter, Entkopplungs-drossel und Überspannungsableiter als Grobschutz, Überspannungsableiter für den mittleren Staffelschutz und Feinschutzmaßnahmen realisiert), sondern speziell im Schutz vor langsam ansteigenden oder permanent vorhandenen Überspannungen. Solche langsam ansteigenden oder permanent vorhandenen Überspannungen können z.B. durch unsymmetrische Belastung des Netzes entstehen. Viel häufiger (obwohl in den Versicherungsstatistiken noch nicht explizit ausgewiesen) ist eine Sternpunktverschiebung durch Bruch des Neutralleiters. Zu diesem Problem wird auf den Artikel "Brandschaden durch Überlastung des Neutralleiters" in Heft 3/2000 der de verwiesen.
An dieser Stelle sei ausdrücklich gesagt, dass bei Einsatz des prädiktiven Blitzschutzes auf keinen Fall auf die üblichen Blitzschutzmaßnahmen, wie Erdungsanlage, Blitzschutzanlage, Potentialausgleich, grober Staffelschutz, mittlerer Staffelschutz und gegebenenfalls auf Feinschutzmaßnahmen verzichtet werden kann. Der Schutzgrad, der mit dem sinnvollen Einsatz dieser Schutztechnik üblicherweise erreicht werden kann, liegt in der Größenordnung um 80%. Der zusätzliche Einsatz von prädiktiven Blitzschutz erhöht diesen Prozentsatz deutlich. Allerdings, und auch dies sei an dieser Stelle ausdrücklich gesagt, kann auch mit dem prädiktiven Blitzschutz kein Gesamtschutzgrad von 100% erreicht werden.
Als letztes Beispiel für den technischen Bereich seien Antennenmasten und Funkanlagen an exponierten Stellen genannt. Diese sind in aller Regel recht gut mit technischen Maßnahmen geschützt. Trotzdem kommt es immer wieder zu Schadensfällen. Hier besteht durch Einsatz des prädiktiven Blitzschutzes die Möglichkeit, diese Anlagen bei Gewittergefahr kurzfristig völlig außer Betrieb zu nehmen und so das Schadenrisiko drastisch zu mindern.
Auch im Bereich der Flugmeteorologie findet der prädiktive Blitzschutz eine sinnvolle Anwendung. Es gibt Bewölkungslagen, denen mit herkömmlichen Mitteln nicht anzusehen ist, dass sie "gewitterschwanger" sind. Muss ein Flugzeugführer beispielsweise sein Flugzeug im Landeanflug durch oder unterhalb einer derartigen Bewölkung führen, bleibt ihm eigentlich nur seine Erfahrung, die ihm sagt, ob diese Bewölkung für ihn blitzgefährdend ist oder nicht. Mit Hilfe der Meßtechnik der SPHERICS Meß- und Analysetechnik GmbH ist eine Messung des Gewitterpotentials in der Bewölkung und eine sichere Warnung möglich. Die Flugsicherung kann den Piloten rechtzeitig genug vor der drohenden Gefahr warnen. Dieser kann das Hindernis umfliegen oder nach einer Sicherungsrunde zwar verspätet aber sicher landen.
Fazit:
Die Ausführungen haben gezeigt, dass es mit Hilfe der Meßtechnik der SPHERICS Meß- und Analysetechnik GmbH möglich ist, rechtzeitig vor dem Beginn eines Gewitters Maßnahmen einzuleiten, die dazu führen, dass Schäden durch Blitzeinschlag und Überspannung vermindert oder sogar verhindert werden können. Der Nutzen dieser neuen Meßtechnik liegt darin begründet, dass über Maßnahmen zur Schadenverminderung bzw. -begrenzung rechtzeitig vor einem Gewitter nachgedacht werden kann und diese Maßnahmen in einem Maßnahmenplan zusammengeschrieben werden können. Bei der Erstellung eines solchen Maßnahmenplanes sind die Spezialisten der SPHERICS Meß- und Analysetechnik gerne behilflich. Im Falle einer Gewitterwarnung brauchen dann die vorher abgestimmten Maßnahmen nur noch eingeleitet bzw. ergriffen zu werden, um einen möglichen Schaden zu minimieren bzw. zu verhindern.
Die Kurzfristmeteorologie bietet neben dem prädiktiven Blitzschutz aber auch noch eine Reihe von weiteren Möglichkeiten.
So können beispielsweise die Energieversorgungsunternehmen (EVU`s) mit einer speziellen Steuergröße eine deutlich verbesserte Netzlaststeuerung realisieren. Von den Meteorologen der SPHERICS Meß- und Analysetechnik wird für das betreffende EVU in Abhängigkeit von verschiedensten Parametern eine Steuergröße für den zu erwartenden Leistungsverbrauch innerhalb der nächsten 30 bis 90 Minuten ermittelt und an das EVU übertragen. Dort wird die Steuergröße so eingesetzt, daß der Energiefluß optimiert und somit letztendlich die Über- oder Unterversorgungen mit elektrischer Energie verringert werden kann.
Aus den Wetterdaten kann (ähnlich der Netzlaststeuerung für die EVU's) eine zusätzliche Steuergröße für die Regelung der Heizungs- und/oder Klimaanlage abgeleitet werden, die an Tagen mit stark wechselnder Sonneneinstrahlung (Bewölkungsänderung) hilft, den Regelprozess der Heizungs- und/oder Klimaanlage zu glätten und damit Energie im Bereich zwischen 5% (Gebäude mit reiner Heiztechnik in günstiger Lage) bis über 15% (Gebäude mit Vollklimatisierung in ungünstiger Lage) einzusparen.
Desweiteren sind mit Hilfe der Meßtechnik der SPHERICS Meß- und Analysetechnik und der Auswertung durch speziell geschulte Meteorologen örtlich begrenzte (Radius ca. 5 km) und zeitlich präzise (30 bis 90 Minuten im Voraus) Wettervorhersagen möglich, welche die Grundlage für Wettervorhersagen für Stadtgebiete, Wettervorhersagen für einzelne Sport- oder Freizeitveranstaltungen (Golf, Reiten, Segeln, Bergwandern etc.) Wetterprognosen für Freizeitparks oder speziellen Wetterinformationen für die Baubranche oder die Landwirtschaft sind.
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[1] Doris Dinnes, Blitzgefährdung in Deutschland (Diplomarbeit), München, 1999
[2] D. R. MacGorman, W. D. Rust, The electrical nature of storms, Oxford University Press, 1998
[3] H. Volland, Atmospheric electrodynamics, Springer Verlag Heidelberg, 1984
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