Von Wolken und beschlagenen Brillengläsern

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Damit du verstehen kannst, wie Wolken entstehen und warum Brillengläser beschlagen, wenn du aus der Kälte in die warme Stube kommst, musst du eine gute Vorstellung vom Stoffteilchenmodell haben.

In heißer Luft bewegen sich die Stoffteilchen schneller als in kalter Luft und stoßen daher auch öfter aufeinander. In heißer Luft benötigen die Stoffteilchen daher auch mehr Raum: Die Stoffteilchen sind weiter voneinander entfernt.

Wenn wir uns dann einen Ausschnitt, z.B. einen Liter anschauen, dann kann man feststellen: In einem Liter heißer Luft befinden sich weniger Stoffteilchen als in einem Liter kalter Luft. Wenn weniger Stoffteilchen in einem Liter sind, dann ist auch der Liter leichter. Warme Luft ist also leichter als kalte Luft. Daher steigt warme Luft auf.

Außerdem ist in warmer Luft mehr Platz für Wassermoleküle als in kalter Luft. Also kann warme Luft mehr Wassermoleküle aufnehmen als kalte Luft.

Die relative Luftfeuchtigkeit gibt in Prozent an, wie groß der Anteil an Feuchtigkeit in der Luft ist. Der Wert kann mit einem Hygrometer gemessen werden. Beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100%, so kann die Luft kein gasförmiges Was-ser mehr aufnehmen: gasförmiges Wasser kondensiert. Das heißt: Es bilden sich kleine Tröpfchen bzw. Wolken. Das geschieht vor allem zunächst an kleinen Staubteilchen in der Luft.

Als Taupunkt bezeichnet man diejenige Temperatur, die unterschritten werden muss, damit gasförmiges Wasser in der Luft, bei einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit, kondensiert, also von dem gasförmigen Zustand in den flüssigen Zu-stand übergeht.

Wenn warme Luft aufsteigt, dehnt sie sich weiter aus. Das hat etwas mit dem Luftdruck zu tun: Über uns lastet eine kaum vorstellbare Menge an Stoffteilchen der Luft, die auf uns einen Druck ausüben. Die Luftsäule über uns übt einen Druck von einer Tonne pro Quadratmeter aus. Dieser Druck wirkt natürlich nicht nur auf unseren Kopf, sondern wie der Wasserdruck, wenn wir unter Wasser tauchen, von allen Seiten.  Ein Mensch besitzt ungefähr eine Oberfläche von 2 Quadratmetern. Also lastet auf uns ein Luftdruck von zwei Tonnen. Das entspricht etwa einer Last von zwei Autos.

Der Luftdruck wird mit zunehmender Höhe geringer, da ja immer weniger Stoffteilchen darüber sind. Wenn weniger Druck da ist, kann sich Materie, also auch die Luft, ausdehnen.

Wenn sich Luft ausdehnt, wird sie nicht nur leichter, sie wird auch kälter. Das liegt daran, dass in der „ausgedehnten“ Luft die Stoffteilchen weniger häufig aufeinanderprallen.

Umgekehrt wird es noch deutlicher. Wenn du mit einer Luftpumpe Luft zusammendrückst, werden die Stoffteilchen mit ihrem hohen „Bewegungsdrang“ in einen kleineren Raum gedrückt. Dort treffen sie dann häufiger aufeinander. Zusammengepresste Luft wird warm. Das kannst du an der Fahrradluftpumpe spüren.

Trockene Luft wird beim Aufsteigen pro 100 m 1 °C kälter. Wenn feuchte Luft aufsteigt, dann kühlt sie sich pro 100m nur um 0,6 °C ab. Das liegt daran, dass bei der Bildung von Wassertröpfchen (Erhöhung der Luftfeuchtigkeit) Wärme freigesetzt wird (Kondensationswärme).

Wolkenbildung

Warme Luft, die ja recht viel Wasser aufnehmen kann, steigt auf, wobei sie sich immer weiter abkühlt. Es kondensieren kleine Tröpfchen an Staubteilchen. Dadurch kommt es zur Wolkenbildung. An diesen Tröpfchen wird das Sonnenlicht gestreut, so dass uns die Wolke weiß erscheint. Wolkentröpfchen sind sehr klein (1/100 mm) [1] und daher auch sehr leicht. Sie werden deshalb in Schwebe gehalten. Wenn sie größer werden, fallen sie als Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel, Graupel). In Höhe der Wolken ist die Temperatur aber oft unter 0 °C. Unterkühlte Wassertröpfchen bilden dann Eiskristalle, an denen wiederum Wasser kondensiert, was zur Folge hat, dass die Eiskristalle wachsen. Irgendwann sind sie so groß, dass sie nach unten fallen und auf ihrem Weg in den wärmeren Luftschichten schmelzen und ebenfalls als Niederschlag den Boden erreichen.

Anmerkung zum Wind

LuftbewegungIn der Luft bewegen sich sehr viele Stoffteilchen (bei 15 °C ca. 2,5 ∙ 1019) ungeordnet mit sehr hoher mittleren Geschwindigkeit (bei 15°C 1623 km/h, bei 25 °C ca. 30 km/h schneller), wobei sie nach extrem kurzer Strecke (7 Millionstel Zentimeter) mit anderen Stoffteilchen zusammenstoßen. Bei Wind bewegt sich das ganze Luftpaket in eine Richtung. Hierbei bewegen sich die Stoffteilchen im Luftpaket weiterhin ungeordnet mit gleicher mittleren Ge-schwindigkeit. Sogar ein Orkan [2] kann mit seiner Windgeschwindigkeit von über 118 km/h die Luft nicht erwärmen, zumal die Orkangeschwindigkeit im Verhältnis der Stoffteilchengeschwindigkeit sehr gering ist.

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Quellen/Externe Links:

[1] Max-Planck-Institut für Meteorologie, https://www.mpimet.mpg.de/kommunikation/fragen-zu-klima-faq/wie-entstehen-wolken-und-niederschlag/, am 26.10.19 abgerufen

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Windgeschwindigkeit, am 26.10.19 abgerufen.

Daten und Berechnungen: Uni Wuppertal: http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/kinetic/kintem.html#c4 , am 02.11.17 abgerufen. Teilchendichte nach: Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Teilchendichte#FN_.28b.29, am 02.11.17 abgerufen. Mittlere freie Weglänge nach Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Mittlere_freie_Weglänge, am 02.11.17 abgerufen. 

Quelle/externer Link: https://www.windy.com

Kurze Einführung in die Wetterkunde von Stephan Mueller: Externer Link (YouTube-Video, 30-1-17 abgerufen)

 

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