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Sachinformationen für Lehrkräfte - Die Entstehung von Niederschlägen

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Die Entstehung von Niederschlägen

Ständig verdunsten (Übergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand) an der Erdoberfläche riesige Mengen von Wasser, das sich als Wasserdampf in der Luft verteilt.

Eine Erklärung der Verdunstung im Teilchenmodell sieht folgendermaßen aus. Die Wasserteilchen (H2O-Moleküle) bewegen sich unregelmäßig im Wasser. Je höher die Wassertemperatur ist, desto schneller, heftiger bewegen sich die Teilchen im Mittel. Aber es gibt einige Teilchen, die sich sehr schnell bewegen, andere recht langsam. Zwischen allen Teilchen gibt es eine anziehende Kraft, die dafür sorgt, dass das Wasser als flüssiger Körper bestehen bleibt. Die besonders schnellen Teilchen können die Flüssigkeit gegen die anziehenden Kräfte im Wasser verlassen. Damit wird die Wassermenge kleiner, das Wasser verdunstet. Gleichzeitig sinkt die Temperatur des Wassers. Denn die Temperatur eines Körpers ist bestimmt durch die mittlere kinetische Energie (Bewegungsenergie). Der Mittelwert wird kleiner, wenn die Teilchen mit den hohen Geschwindigkeiten - und damit der hohen kinetischen Energie - den Körper verlassen.

Für die Entstehung von Wolken und Nebel ist der Umkehrprozess, die Kondensation, wesentlich. Aus dem Alltag ist bekannt, dass eine kalte Fensterscheibe oder eine aus dem Kühlschrank herausgestellte Flasche sich nach kurzer Zeit mit einer Schicht kleiner Wassertröpfchen bedeckt. Die Wasserteilchen in der Luft, der Wasserdampf, haben sich zu flüssigen Wassertropfen vereinigt, wenn die Lufttemperatur an der kalten Scheibe oder Flasche unter eine bestimmte Temperatur gesunken ist. Im Teilchenbild kann man sich vorstellen, dass durch das Abkühlen die mittlere Geschwindigkeite der Wasserteilchen in der Luft so klein geworden sind, dass die anziehenden Kräfte die Teilchen wieder aneinander binden können, nach und nach entstehen sichtbare Wassertropfen. Umso größer die Tröpfchen sind, desto besser erfolgt die Bindung von Wasserteilchen. Dadurch ist verständlich, dass Schwebeteilchen in der Luft die Kondensation, die Bildung von Nebel und Wolken, stark fördern.

Die Abkühlung von „feuchter“ Luft unter die Grenze, bei der Kondensation einsetzt, kann auf zwei Wegen erfolgen: (a) der Erdboden kühlt sich in der Nacht durch Abstrahlung ab und die darüber liegende Luft wird dadurch abgekühlt. Es bildet sich Bodennebel (auch Strahlungsnebel genannt). (b) Oder warme, feuchte Luft steigt auf, dehnt sich aus und kühlt dadurch ab. Dann können in größerem Abstand zum Erdboden Wolken am Himmel entstehen. Wolken bestehen aus kleinen Wassertröpfchen oder kleinen Eiskristallen, die in der Luft schweben oder sich innerhalb der Wolke bewegen. Da Nebel auch aus kleinen Wassertröpfchen besteht, ist er quasi eine Wolke am Boden.

Warum regnet es nicht immer, wenn Wolken am Himmel zu sehen sind? Am Anfang, wenn sich die Wolken bilden, sind die Wassertröpfchen sehr klein. Sie schweben sehr, sehr langsam nach unten oder werden von leichten Aufwinden getragen oder nach oben geschoben. Die Tröpfchen sind unterschiedlich groß, die größeren sinken rascher nach unten als die kleinen Tropfen. Dabei treffen sie auf langsamere Tröpfchen, vereinigen sich mit diesen und werden dadurch größer. Weiterhin lagern die Tropfen Wasserteilchen aus der Luft an und vergrößern so ihr Volumen. Mit der zunehmenden Größe wird die Fallgeschwindigkeit so groß, dass sie trotz Luftwiderstand und Aufwind zur Erde fallen, es regnet.

Die Kondensation wird gefördert, wenn sich in der Luft Schwebeteilchen wie Schmutzpartikel oder Salzkriställchen befinden, die als Kondensationskerne dienen. Deutlich wird dies an den Kondensstreifen hinter Düsenflugzeugen, die sich aufgrund der winzigen Verbrennungsprodukte (Wasserdampf und Rußteilchen) von den Düsen hinter dem Flugzeug bilden.

Bei weiterer Abkühlung der Tröpfchen in den Wolken können sie gefrieren und unter gewissen Umständen Hagelkörner oder Schneeflocken bilden.

Weshalb sich Luft abkühlt, wenn sie sich ausdehnt und weshalb warme Luft in sie umgebender kälterer Luft aufsteigt, wird in dem Exkurs erläutert.

Die Einteilung der Wolken in Wolkenfamilien, Wolkengattungen und Wolkentypen ist ausführlich in dem Internationalen Wolkenatlas beschrieben. Ein pdf kann beim DWD, dem Deutschen Wetterdienst abgerufen werden. Eine reduzierte, sehr brauchbare Beschreibung mit Bildern findet man unter www.br.de/themen/wissen/wetter-meteorologie-wolken100.html (Aufruf am 15.10.2014).

 

Exkurs

Abkühlung von Luft bei Expansion

Mit den folgenden zwei Versuchen kann gezeigt werden, dass die Temperatur in expandierender Luft absinkt und dass bei dieser Abkühlung der in Luft enthaltene Wasserdampf zu Nebeltröpfchen kondensiert.

In eine Plastikspritze wird seitlich ein kleines Loch gebohrt, so dass der Fühler eines digitalen Thermometers stramm (luftdicht abschließend) hineinpasst Der Kolben wird zu etwa einem Drittel hineingeschoben, die vordere Öffnung mit dem Daumen zugehalten und der Kolben fast ganz heraus gezogen. Am Thermometer kann beobachtet werden, dass die Temperatur absinkt. Umgekehrt kann man beobachten, dass die Lufttemperatur ansteigt, wenn man die Luft im Kolben komprimiert.


Abb. 4: Spritze mit eingestecktem Thermometer

Für den Versuch „Nebel aus der Flasche“ schneidet man aus einem alten Fahrradschlauch das Ventil heraus (ein rundes Stück vom Gummischlauch dranlassen, s. Bild 5) In einen Korken wird ein Loch gebohrt, so dass das Ventil straff hindurchgesteckt werden kann. Es muss soweit aus dem Korken herausragen, dass eine Standluftpumpe angeschlossen werden kann. In eine Plastikflasche wird ein wenig Wasser eingefüllt (1/2 cm reicht) und die Flasche geschüttelt, damit in der Flasche mit Wasserdampf gesättigte Luft entsteht.


Abb. 5: Nebel in der Flasche – Versuchsaufbau“

Der Korken wird auf die Flasche gesteckt und solange Luft hineingepumpt bis der Korken mit einem Knall aus der Flaschenöffnung fliegt. Die Flasche ist nach der Expansion mit Nebel gefüllt, der auch aus der Flaschenöffnung heraus tritt. Der Druckabfall ist hier sehr stark, damit ist die Temperaturänderung auch sehr groß und die Kondensation deutlich zu beobachten.


Abb. 6: Nebel in der Flasche – Durchführung

Einfacher ist es, in den Schraubdeckel ein passendes Loch zu bohren und das Ventil einzuschrauben. Man kann dann die Flasche öffnen wenn man will (der Aufmerksamkeit erregende Knall fehlt dann allerdings).

Noch einfacher – aber nicht so deutlich – kann die Kondensation folgendermaßen gezeigt werden: In die Flasche wird ein wenig Wasser gefüllt und durch Schütteln für eine Wasserdampfsättigung gesorgt. Bei geöffneter, etwas zusammengedrückter Flasche hält man ein brennendes Streichholz in die Öffnung. Die Flasche wird nun zugeschraubt. Beim Entspannen der Flasche bildet sich etwas Nebel in der Flasche. Ohne die Kondensationskeime durch das Streichholz entstehen keine Wassertröpfchen.

 

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