Wieso bilden sich Wolken?
Ich intressiere mich zurzeit für die Meteorologie und komme an einem bestimmten Punkt nicht mehr weiter mit meinen Überlegungen. Ich habe gelernt. dass ein Gas/Flüssigkeit mit Hilfe von Energie gasförmiger wird, da die Moleküle sich durch diese Energie mehr bewegen. Auch habe ich gelernt, dass wenn die Temperatur steigt der Druck auch steigen muss vorausgesetz, das Volumen bleibt gleich. Wenn nun die Sonne Wasser erwärmt steigt dieses in Form von Gas auf. Die Luftschichten weisen je höher je weniger Druck auf. Warum kült die Luftmasse ab, wenn doch kein Druck sie dazu bewegt und quasi näher an den Sonnenstrahlen liegen? Das kochende Wasser auf dem Mount-Everest fängt ja auch früher an zu sieden, weil weniger Druck vorhanden ist, wieso sollen sich nun Wolken in Luftschichten mit noch geringerem Druck bilden?
4 Antworten
Es geht also um 2 Fragen, warum ist es oben kalt und warum bilden sich dann Wolken. Der Rest deiner Überlegungen ist schon ganz gut.
Trockene Luft ist ein ganz schlechter Wärmeträger. Direkte Sonnenstrahlen können sie auch kaum erwärmen. Erst, wenn die Sonnenstrahlen auf einen festen Gegenstand, z.B. den Erdboden, treffen, wandelt sich das sichtbare und das UV-Licht in Infrarot, also Wärmestrahlung um. Diese Wärme geht dann auf die Luft durch direkte Infrarotbestrahlung oder überwiegend durch Konvektion über. Deshalb gibt es auch nur eine sehr dünne warme Luftschicht über der Erdoberfläche.
Innerhalb dieser warmen Luftschicht kommt die trockene Luft sehr häufig mit Wasser in Kontakt. Dadurch löst sich Wasserdampf in der Luft. Steigt die feuchte Luft auf, kühlt sie sich dabei stark ab, weil sie die dünne Wärmedecke über der Erdoberfläche verlässt. Und nun kommt ein Phänomen zum tragen, dass nämlich die Löslichkeit von Wasser in Luft ganz dramatisch von der Temperatur abhängt. Luft kann z.B. bei 40°C pro m^^3 50 g Wasserdampf aufnehmen. Bei -20 °C aber nur noch 0,9 g. Da die Luft den Wasserdampf also nicht mehr tragen kann, kondensiert der aus und bildet Wolken.
Also dann nochmal nach der reinen Lehre:
Der Druck feuchter Luft ist die Summe der Partialdrücke des Wasserdampfes sowie der trockenen Luft. p(ges) = p(w) + p(L)
Erreicht der Partialdruck des Wasserdampfes den zur Temperatur der feuchten Luft gehörigen Sättigungsdruck p(s), so ist die feuchte Luft gesättigt. Der Zustand des Wasserdampfes hat die Taulinie erreicht, der Wasserdampf ist nicht mehr überhitzt. Sinkt der Partialdruck des Wasserdampfes weiter, kondensiert oder sublimiert der überschüssige Wasserdampf.
Entscheided ist also der Partialdruck des Wasserdampfes. Betrachtet man den Partaildruck des Wassers isoliert, dann entnimmt man die Taulinie dem Zustandsdiagramm des Wassers.
Das hat aber dann doch wieder mit der Luft zu tun und es ist ein Unterschied, ob man ein Vakuum oder ein Luft-Dampf-Gemisch betrachtet. Im Vakuum würde gelten: p(ges) = p(w) während in der Atmosphäre gilt: p(ges) = p(w) + p(L).
Da p(L) deutlich größer ist als p(W), darf man es in der Atmossphäre nicht vernachlässigen.
Obige Betrachtung lernt man in der Meterologie. Allerdings würde ich behaupten, das ist für den Anfang (für einen Anfänger) erstmal zu kompliziert ist. Der Begriff "Löslichkeit" ist zwar nicht korrekt, hilft aber der ersten Vorstellung gut auf die Beine. Unabhängig von der Luft ist es aber auch nicht, weil der Partialdruck der Luft den größten Anteil des Gesamtdruckes ausmacht. Eigentlich hat man ein Gasgemisch mit unterschiedlichen Partialdrücken, aber diesen Umstand kann man über die nicht ganz korrekte "Löslichkeit" einfach darstellen, ohne allzu kompliziert zu werden. Außerdem gibt die Luft die Temperatur vor, nach der sich der Wasserdampf richten muss.
Daher habe ich zur Klärung die Wassermengen angegeben, die dem Partaildruck der Sättigung p(s) , entsprechend des Zusammenhanges Temperatur-Partialdruck Wasserdampf, entsprechen.
Fazit: "Löslichkeit" ist nicht ganz korrekt, korrekt wäre vom Partialdruck im Zusammenhang mit der Dampfkurve zu sprechen, was die Sache aber kompliziert macht. Unabhängig ist das von der Luft aber überhaupt nicht, weil die Luft mit ihrem Partialdruck den größten Teil des Gesamtdruckes ausmacht. Das ist im Vakuum anders, da ist er Partaildruck des Wasserdampfes gleich Gesamtdruck.
Aber egal, wie man das verbildlicht oder herleitet: Tatsache ist das Ergebnis, nämlich dass das warme Luft-Wasserdampfgemisch dramatisch deutlich mehr Wasserdampf enthalten kann, als das kalte. Und genau dieser Umstand führt zur Wolkenbildung.
Ergänzung: anstatt mit Partialdrücken zu operieren, wird offensichtlich nicht nur von mir die Ersatzkonstruktion "Löslichkeit" benutzt. siehe hier:
http://www.planet-schule.de/warum/regen/themenseiten/t3/s2.html
Fassen wir das Ganze mal in wenigen Sätzen zusammen:
1) Ich behaupte, der Gehalt an Wasserdampf in einem gegebenen Volumen sei bei gleicher Temperatur weitgehend (sagen wir, Abweichung unter 10%) unabhängig davon, ob sich neben dem Wasserdampf noch Luft oder Helium oder Vakuum in diesem Volumen befindet.
2) Ich behaupte, wegen 1) sei es falsch, von einer Löslichkeit des Wasserdampfes in Luft zu sprechen. Dieweil dass das insbesondere Schüler zu der irrigen Annahme führt, die Luft spiele dabei eine Rolle.
Was mir nicht klar wurde aus Deinem Kommentar: Widersprichst Du meiner Behauptung 1) oder nur Behauptung 2)?
Zur Behauptung 1: Der Dampfdruck ist idealisiert betrachtet zunächst nur abhängig vom Taupunkt und damit unabhängig von der Anwesenheit anderer Gase. Real spielen aber dennoch noch andere Vorgänge eine Rolle, die dann doch wieder von der Anwesenheit anderer Gase abhängig ist. So spielt z.B. bei einem 2-Phasengemisch auch die Löslichkeit von Luft in Wasser eine Rolle allerdings nur eine sehr kleine. Größer ist der Einfluss der verschiedenen Dichten von Wasserdampf und trockener Luft, den man über die virtuelle Temperatur berücksichtigt. Die Abweichung von der idealen Annahme beträgt in der Regel allerdings weniger als 10%.
zu 2): Nach der reinen Lehre kann von Löslichkeit nur bei 2 verschiedenen Phasen gesprochen werden, sonst liegt eine Mischung vor. Bei Gasmischungen kann daher nicht mit der Löslichkeit (-> Henry-Koeeffizient bei Gas in Wasser) gerechnet werden sondern es muss mit Partialdrücken gerechnet werden.
Fazit: muss genau gerechnet werden, kann nicht angenommen werden, dass die Anwesenheit von Luft keine Rolle spielt und es sollte auch nicht von Löslichkeit gesprochen werden.
Für den Einstieg in die Problematik und eine erste grobe Betrachtung halte ich es für den Anfang allerdings für zulässig, der Vorstellung damit auf die Beine zu helfen, dass man davon ausgeht, dass die Luft keine Rolle spielt (sondern nur der Taupunkt des Wasserdampfes) und dass man sich eine Art Löslichkeit von Wasser in der Luft vorstellt.
Brauchst Du auch nicht alles zu verstehen. Nimm' Hamburgers Antwort und meinen ersten Kommentar dazu, bis dahin sollte es noch verständlich sein und Deine Frage hinreichend beantworten.
Wenn Du Dich für Met interessierst, empfehle ich Dir das Buch "Flugwetter" von Karl Heinz Hack.
Keine Angst - hier geht es nicht nur ums Fliegen. Aber es ist ein Lehrbuch für angehende Piloten, welches Wetter von Anfang an in sehr guter bebilderter Darstellung erklärt. Es ist selbst für Leute ohne Vorkenntnisse sehr gut verständlich.
Dort erfährst Du alles, was Du zum Thema Wetter wissen möchtest. Ich habe das Buch selbst zu Hause und benutze es als Lehrbuch für Flugschüler. Gerade Themen wie z. B. die Entstehung der Fronten sind hier super erklärt.
Umso weiter oben umso kälter...das erklärt wohl alles.
Näher an der Sonne stimmt zwar aber das hat kaum Auswirkungen. Wolken sind weiß und reflektieren somit ziemlich das gesamte Sonnenlicht und werden dadurch nicht warm.
Zum kochenden Wasser am Mount Everest: das Wasser kocht zwar aber nicht weil es heißer ist, es wird nur weniger stark zusammengedrückt womit es leichter ist zu verdunsten. :)
Danke vielmal für deine schnelle Antwort werden die also die Luftschichte kälter, weil diese die Energie nicht absorbieren können, wie das die Landmassen machen.
Ja so in etwa. Die Luft ist ja durchsichtig, deshalb nimmt sie kaum Energie auf. Diese trifft auf den Boden auf und wird von diesem teils aufgenommen und teils reflektiert. Da untere luftschichten näher am Boden sind nehmen sie somit mehr Energie auf.
Auch ist die Dichte weiter unten höher wodurch die Luft auch etwas mehr Strahlung aufnimmt:)
Warum kühlt die Luftmasse ab, wenn ... sie ... quasi näher an den Sonnenstrahlen liegen?
...das ist Unfug. Die Sonne ist 150.000.000 km entfernt. Die 10 km, die die Wolken theoretisch der Sonne näher sind, ändern an der Entfernung praktisch garnichst.
> Löslichkeit von Wasser in Luft
Hier liegt ein Missverständnis vor. Mit der Luft hat das rein gar ncihts zu tun, das ist eine Eigenschaft des Wassers, genannt Dampfdruck.
in einem Kubikmeter Vakuum "löst" sich genauso viel Wasser wie in einem Kubikmeter Luft oder beliebigem anderen Gas.