Physik am Samstag, 18. Juni 20051 Von der Schäfchenwolke … ©

Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 11

Von der Schäfchenwolke …

… zum Gewitter

Klaus D. Beheng, Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Was erwartet Sie ?Was erwartet Sie ?

Wolken in der AtmosphäreWolken in der Atmosphäre Entstehung von WolkenEntstehung von Wolken WolkenformenWolkenformen Wolkenpartikel: Entstehung und WachstumWolkenpartikel: Entstehung und Wachstum Wie lernt man etwas über Wolken ?Wie lernt man etwas über Wolken ? Kann man Gewitter vorhersagen ?Kann man Gewitter vorhersagen ?

Welche Rolle spielen Wolken in der Atmosphäre?Welche Rolle spielen Wolken in der Atmosphäre?

sie reflektieren Sonnenstrahlung in den Weltraumsie reflektieren Sonnenstrahlung in den Weltraum

sie fangen Wärmestrahlung von der Erde einsie fangen Wärmestrahlung von der Erde ein

sie sorgen für Niederschlag und damit für Wasser auf der sie sorgen für Niederschlag und damit für Wasser auf der ErdeErde

Wie entstehen Wolken ?Wie entstehen Wolken ?

Feuchte Luft muss sich abkühlen, bis Sättigung eintritt.Feuchte Luft muss sich abkühlen, bis Sättigung eintritt.

Abkühlung findet stattAbkühlung findet statt

- durch Kontakt mit einem kalten Erdboden: Es entsteht - durch Kontakt mit einem kalten Erdboden: Es entsteht Nebel ; Nebel ;

- - durch Hebung an einem Hindernis (Berg, Wetterfront)durch Hebung an einem Hindernis (Berg, Wetterfront)

Wie entstehen Wolken ? Wie entstehen Wolken ?

- - durch Hebung an einem Hindernis (Berg, Wetterfront)durch Hebung an einem Hindernis (Berg, Wetterfront)

- durch Aufsteigen von Luft, die am Boden erwärmt wird - durch Aufsteigen von Luft, die am Boden erwärmt wird (Konvektion)(Konvektion)

Wie entstehen Wolken ? Wie entstehen Wolken ?

Südbrasilien vom Space Shuttle aus

Wolkenobergrenze : 15 km

WolkenformenWolkenformen

Klassifizierung nach Howard Luke (1772-1864) :Klassifizierung nach Howard Luke (1772-1864) :

- Schichtwolken (stratus)Schichtwolken (stratus)

- Haufenwolken (cumulus)Haufenwolken (cumulus)

- Federwolken (cirrus)Federwolken (cirrus)

Howard Luke, 1810

Goethe, 1817

Beispiele von Wolkenformen (1)Beispiele von Wolkenformen (1)CirrenCirren

Beispiele von Wolkenformen (2)Beispiele von Wolkenformen (2)CumulusCumulus

Beispiele von Wolkenformen (3)Beispiele von Wolkenformen (3)StratusStratus

Wolkenpartikel: EntstehungWolkenpartikel: Entstehung

• Wolken entstehen durch Abkühlung feuchter Luft:Wolken entstehen durch Abkühlung feuchter Luft:

Wasserdampf geht in Wasser oder Eis überWasserdampf geht in Wasser oder Eis über

(Kondensation, Deposition)(Kondensation, Deposition)

• Aber: Aber:

Wasserdampf alleine reicht nicht aus.Wasserdampf alleine reicht nicht aus.

Der Wasserdampf muss sich an einem „Keim“ Der Wasserdampf muss sich an einem „Keim“ (Aerosolpartikel) anlagern. (Aerosolpartikel) anlagern.

Ammoniumsulfat + Russ

Ätna, 14.12.2002, space shuttle

Wolkentröpfchen

(5 – 50 m)

Regentropfen

3 mm = 3000 m

Haar100 m

kleinste Wolkentröpfchen 20 mal kleiner als ein Haar

Regentropfen 600 mal grösser als kleinste Wolkentröpfchen

Regentropfen 30 mal grösser als ein Haar

Wieviel Wasser ist in einer Wolke ?

Wolkenvolumen:

Breite x Länge x Höhe =

10 km x 10 km x 10 km =

1000 km3

Mittlerer Wassergehalt:

1 g/m3 = 1000 t/km3

also 1 Mio t Wasser in Wolke,

d.h. alle Bewohner von Karlsruhe können ihre Badewannen 20 mal füllen

mittlere Anzahl: 100 Tröpfchen/ cm3

mittlerer Wassergehalt: 1 g/m3

(eine Murmel aus Wasser)

Wolkenpartikel: Wachstum

Durch Kondensation:

Wasserdampf strömt auf ein kleines Tröpfchen auf,

wodurch es sich vergrössert

Wasserdampf

Durch Stossen:

Kleine Tropfen stossen mit kleinen oder grossen,

wodurch sie noch grösser werden

… oder auch nicht

Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Univ. Stuttgart

Diplomarbeit Kai Jellinghaus, in Kooperation mit Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Univ. Stuttgart

Wilson Bentley (1865-1931)

„Snowflake Bentley“

1. Eiskristallphoto: 1885

Libbrecht & Rasmussen, 2003

Eiskristalle wachsen durch Deposition:

Unterkühlter Wasserdampf strömt auf den Kristall auf

Nakaya, 1954

Eiskristalle wachsen auch durch Anfrieren von unterkühlten Wolkentropfen: Es entstehen Graupelpartikel

… und dann Hagel

… und jetzt der Weltrekord

Hagel, 600 g (ca. 60% der Gesamtmasse)

Durchmesser: 18 cm, Fallgeschwindigkeit: 160 km/h

22. Juni 2003, Aurora, Nebraska, USA

Weltrekord

Hagel, 750 g

3. September 1970, Coffeyville, Kansas, USA

alter Weltrekord

Hagel, 750 g

3. September 1970, Coffeyville, Kansas, USA

alter Weltrekord

Wie lernt man etwas über Wolken ? (1)Wie lernt man etwas über Wolken ? (1)

Messungen vom Flugzeug aus:Messungen vom Flugzeug aus:

Flugzeug ist sehr schnell Flugzeug ist sehr schnell Messgeräte müssen sehr Messgeräte müssen sehr schnell sein schnell sein

Flugzeug „stört“ die Wolke und ihre EntwicklungFlugzeug „stört“ die Wolke und ihre Entwicklung

Hohe Vertikalgeschwindigkeiten (bis 40 m/s = 140 km/h)Hohe Vertikalgeschwindigkeiten (bis 40 m/s = 140 km/h)

GefahrGefahr durch Vereisung und Blitz- und Hagelschlag durch Vereisung und Blitz- und Hagelschlag

C-Band Doppler Radar, Forschungszentrum Karlsruhe

www.radar-info.de

RadarmessungenRadarmessungenIndirekte Methode : Man misst nur ein „Echo“ von Streuern Indirekte Methode : Man misst nur ein „Echo“ von Streuern

(Tropfen, Eispartikeln).(Tropfen, Eispartikeln).Dafür aber sicher, schnell und flächendeckend.Dafür aber sicher, schnell und flächendeckend.

ewdkIIvvt

QILILc

Fvgpvvt

eedwwdv

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Durch mathematisch-physikalische Modelle

Seifert, 2002

Berechnungen von Wolken (1) Berechnungen von Wolken (1)

Berechnungen von Wolken (2)Berechnungen von Wolken (2)

Radarmessungen (1)Radarmessungen (1)

Jan Handwerker, 2003

Winfried Straub, 2004

Kann man Gewitter vorhersagen ?Kann man Gewitter vorhersagen ?

Sehr schwierig, denn

wir kennen nicht alle Bedingungen, die zur Entstehung und zeitlichen und räumlichen Entwicklung führen.

Radarmessungen zeigen, dass Zugbahnen (Ort und Zeit) nur für sehr kurze Zeit und sehr kurze Distanzen vorhersagbar sind.

Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Fazit:

Es muss noch viel Forschungsarbeit geleistet werden.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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