AUF UND AB DER LUFT

AUF UND
LUFT
AB
DER
Video: DVD, 13 Minuten, 2004
Adressaten: ab Jgst. 5 der Hauptschule, der Realschule und
des Gymnasiums
Schlagwörter: Luv und Lee, Hohe Tatra, Luftfeuchtigkeit,
Kondensationspunkt, Sommerwolken, Gewitter, Hoch- und
Tiefdruckgebiet, Kaltfront, adiabatische Erwärmung und
Abkühlung, Wolkenbildung, Föhnprinzip, Dobschiner Eishöhle
Kapitel: Luv und Lee, Sommerwolken, Gewitter, Eishöhle
Ein Film von Rainer Hahn
Mitarbeit: Jana Bryjová, Annerose Hahn, Jakub Ľudma,
Rastislav Pjontek, Miroslava Suchánová, Katarína Frečková
Sprecher: Michael Sikora
Inhalt:
Der Film zeigt die Folgen der adiabatischen Erwärmung und
Abkühlung der Luft: Das Entstehen und Vergehen von Wolken;
das Kondensationsniveau der Wolken an der Luv- und Leeseite
des Gebirges; das Föhnprinzip und seine Konsequenzen; die
Bildung von Sommerwolken und Gewittern; das Aufschieben
einer Kaltfront sowie die Ausbildung einer Eishöhle.
In drei Naturbereichen - Hochgebirge, Ebene und Höhle –
liefert der Film einen eindrucksvollen Einblick in die
geheimnisvollen Kräfte der Luft. Das Auf und Ab der Luft –
ein ständiger Kreislauf.
Praxis Unterrichtsfilm
Draisendorf 1
91346 Wiesenttal
1
Lösungsvorschläge zum
Arbeitsblatt:
1a. Tröpfchenbildung des
Wasserdampfs bei Abkühlung
1b. Nebel, Wolken und
Niederschlag
1c. Temperatur, bei der
Wasserdampf kondensiert
1d. Dem Wind zu- oder abgewandt
1e. Warme, feuchte Luft steigt im
Luv auf, kondensiert, Wolken
bilden sich, Wolkenauflösung im
Lee beim Absinken wegen
adiabatischer Erwärmung
2a. Kleine, helle Quellwolken
2b. Luft kühlt am Nachmittag ab.
2c. z.B. Kondensstreifen lösen sich
nicht auf
2d. Kalte und warme Luftmassen
treffen aufeinander. Die Kaltfront
schiebt sich auf die Warmfront.
2d. Energie
3a. Kalte Luft im Winter kühlt die
Höhle aus. Warme Luft kann nicht
eindringen.
3b. Unterirdischer Gletscher und
verschiedene Formen des Eises das
ganze Jahr über.
4a. Schnee, Regen, Hagel, Nebel,
Frost, Tau ...
4b. Wolkenproduktion im Luv
und Wolkenauflösung im Lee
4c. Lage im Norden der Slowakei
an der Grenze zu Polen.
AUF UND AB DER LUFT
Filmtext zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM
Filmtext
Luv und Lee
Sommerwolken
Vor uns: Die Hohe Tatra. Sie gilt als das kleinste
Hochgebirge der Welt. Sie ist ein bekanntes
Touristenziel, Skigebiet und Kurort für Lungenkranke.
Ihre Gipfel sind dicht mit Wolken verhüllt. Ein
alltägliches Bild! Die Luftströme über der Hohen Tatra
ziehen von Norden nach Süden.
Dies ist die polnische Seite. Zakopane, bekannter
Wintersportort und bekannt für immer raues und
regnerisches Wetter.
Hier die slowakische Seite: Poprad im schönsten
Sonnenschein.
Und zwischen den beiden Städten auf etwa sechs
Kilometern Breite: Das Bergmassiv.
Warum ist das Wetter auf diesem kleinen Raum so
unterschiedlich? Das wollen wir nun genau wissen!
Also, hinauf auf die Lomnizer Spitze.
Mit der Seilbahn überqueren wir wunderschöne, klare,
jedoch eiskalte Bäche. Dann gelangen wir in die
Strauchzone. Wir nähern uns dem Gipfel. Dicke
Wolken umschlingen uns. Die Luft ist feucht und es
wird immer kälter.
Vom Gipfel haben wir einen herrlichen, klaren Blick in
Richtung Süden. In Richtung Norden sehen wir jedoch
nichts als weiß, wolkenweiß.
Nun reißt die Wolkendecke kurzzeitig auf. Wir können
beobachten, wie die Wolken entstehen.
Die warme Luft, die vom Tal aufsteigt, ist feucht.
Sie kühlt sich beim Aufstieg ab und die Feuchtigkeit
kondensiert, es bilden sich feinste Wassertröpfchen.
Wolken entstehen. Der Kondensationspunkt ist deutlich
sichtbar. Die Gipfel selbst sind dicht verhüllt.
Auf der anderen Seite beobachten wir den
umgekehrten Vorgang. Die Wolken sinken vom Gipfel
abwärts und lösen sich auf. Der Auflösungspunkt. Die
kalte Luft erwärmt sich.
Die Hohe Tatra - eine Wolkenmaschine.
In der Ebene zirkuliert die Luft ähnlich wie über
dem Gebirge.
Die Sonne erwärmt den Boden und die dadurch
erwärmte Luft steigt auf. Je höher die Luft steigt,
desto niedriger wird die Temperatur. Die warme
Luft kühlt ab, die Feuchtigkeit kondensiert. Es
entstehen Sommerwolken.
Die meisten Sommerwolken sehen wir zwischen
13 und 14 Uhr.
Je dunkler die Unterseite der Wolke, desto höher
ragt sie auf.
Am Nachmittag kühlt die Luft wieder ab und die
Wolken verschwinden.
Am nächsten Tag: Wieder bilden sich
Sommerwolken. Doch diesmal werden es immer
mehr und immer größere.
Schließlich kommt es zu einem kurzen,
intensiven Sommergewitter. Schon bald ist alles
vorbei und die Luft ist frisch und klar.
2
AUF UND AB DER LUFT
Filmtext zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM (Fortsetzung)
Gewitter
Wie entstehen Gewitter?
Es ist ein schöner Tag, ein Hochdruckgebiet mit
warmer Luft. Cirruswolken ziehen über uns hinweg.
Der Kondensstreifen des Flugzeuges löst sich nicht
auf, da die Luftfeuchtigkeit stark zugenommen hat.
Es bahnt sich der Durchzug eines Tiefdruckgebietes
an.
Am nächsten Tag haben wir anfangs noch schönes
warmes Wetter.
Wenn nun ein Tiefdruckgebiet mit kalter und feuchter
Luft aufzieht, wird dessen kalte Luft auf die warme
Luft des Hochdruckgebietes aufgeschoben. Da die
warme Luft nun nicht mehr aufsteigen kann, erhöht
sich der Druck zwischen beiden Schichten.
Es kommt zu elektrischen Entladungen: Ein starkes
Gewitter entwickelt sich.
Folgen dieses Gewitters: Ein neues Haus wurde vom
Blitz getroffen. Seine Statik ist zerstört. Es muss
abgerissen werden.
Das Gewitter zieht weiter.
Eishöhle
Dies die einzigartige Dobschiner Eishöhle in der
Slowakei. Eine von dreien in Europa.
Es ist August: Viele Touristen wollen diese
Attraktion besuchen.
Die riesige Höhle fasziniert durch wunderschöne
Eisgebilde, Tropfzapfen, Eis-Tunnels und EisWasserfälle.
Mitten im Sommer.
Das Aussehen der Höhle verändert sich ständig
mit dem Wechsel der Tau- und Frostphasen. Alte
Photos zeigen einen riesigen Eis-Wasserfall, der
heute schon anders aussieht. Nach der
Entdeckung der Höhle wurde sie zum Eislaufen
genutzt. An seiner dicksten Stelle ist das Eis
26,5 Meter mächtig!
Wie hält die kalte Luft und das Eis hier durch? Die
Eishöhle hat an ihrer höchsten Stelle im Gestein
eine Öffnung.
Durch diese fließt die kalte Luft im Winter wie durch einen Trichter in die Höhle hinein. Durch die besondere
Lage der Höhle kann nur Luft eindringen, die kälter ist als das Höhleninnere. Im Winter wird die Höhle durch
die einfließende Kaltluft so ausgekühlt, dass der Gletscher und die anderen Eisgebilde das ganze Jahr über
Bestand haben.
3
AUF UND AB DER LUFT
Begleitmaterial zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM
Kondensation
Für Kondensation und Wolkenbildung ist die Sättigung der Luft mit Wasserdampf eine
Voraussetzung. Wasserdampf ist ein unsichtbares Gas. Das, was man beim Ausströmen aus
Wärmekraftmaschinen oder beim Ausatmen in kalter Luft sieht, sind Schwaden, die außer dem
tatsächlichen Wasserdampf auch seine Kondensationsprodukte in Form von kleinsten
Wassertropfen enthalten. Wassertropfen/Wasserdampf kommt in der Atmosphäre in Form von
Nebel, Wolken oder Niederschlag vor. Für die Kondensation muss die Luft bis zum Taupunkt
abgekühlt werden. Die Luft muss mit Wasserdampf übersättigt sein.
Durch folgende Vorgänge in der Atmosphäre kommt es zur Kondensation:
1. Abkühlung durch Ausstrahlung: Die Erdoberfläche verliert vor allem in kühlen Nächten
Energie durch Strahlung. Wird Taupunkttemperatur an Gegenständen erreicht, kommt es
zur Taubildung. Wird Taupunkttemperatur in den bodennahen Schichten erreicht,
entsteht Bodennebel. Ausstrahlungsfläche kann auch die Wolkenoberseite sein, die
Wolke kühlt sich damit ab und die entstehende Kaltluft sorgt für Kondensation und
Zunahme der Wolkenmächtigkeit.
2. Abkühlung durch Wärmeaustausch: Bei Advektion (Heranführung) von Warmluft kühlt
sich die Luft über Kaltwasser, Schneeflächen oder kalten Kontinentalregionen bis zur
Taupunkttemperatur ab. Es bildet sich Nebel. Wenn die Kaltluft nun über
Warmwassergebiete (Seen, Küsten der Subpolarenregion) strömt, kommt es bei
ablandigen Winden zu einen Temperaturenaustausch über dem Wasser mit Nebel.
Dieser Nebel wird als See- oder Meerrauch bezeichnet.
3. Abkühlung in Folge von Durchmischung von Warm- und Kaltluft: Das Heranführen von
Warm- und Kaltluftmassen führt zur Luftmassengrenze. Es entsteht eine sogenannte
Front. An dieser Front kommt es zur Abkühlung der Warmluft mit Kondensation und
Wolkenbildung.
4. Abkühlung durch adiabatisches Aufsteigen der Luft (Konvektion): Mit Aufsteigen nimmt
die Temperatur pro 100 m um 1° ab. Die Abkühlung bi s zur Taupunkttemperatur löst die
Kondensation und Wolkenbildung aus.
4
AUF UND AB DER LUFT
Begleitmaterial zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM (Fortsetzung)
Nebel
Industriegebiete und städtische Agglomerationen mit starker Emission von Kondensationskernen
und Wasserdampf zeigen große Nebelhäufigkeit auf. Ebenso Täler und Niederungen sind
stärker Nebelgefährdet. In Küstenregionen und Randregionen an Warm-Kaltluftgrenzen ist
Nebel häufig zu beobachten.
Nebel wird beseitigt durch Erwärmung oder durch Luftmassenwechsel. Regen und Schneefall
können Nebel lichten, ebenso wie Nebel an Bäumen ausgekämmt werden kann.
Wolken
Nebel wird in höheren Schichten der Troposphäre zu Wolken. Sie sind eine Suspension von
Wassertröpfchen oder Eisteilchen. Wolken sind horizontal und vertikal definierbar und können
sich in beide Richtungen bewegen. Bei geringer vertikalen Umlagerung entstehen
Schichtwolken, bei konvektiven Vorgängen Quellwolken. Es gibt Wasser-, Eis- und
Mischwolken. Für die Erfassung von Wolkentypen gibt es vier Wolkenfamilien mit insgesamt
zehn Wolkengattungen. Außerdem gibt es noch eine Reihe von Unterarten. Die Wolkenarten
lassen sich aus Satellitenbildern nicht eindeutig ableiten. Bei gleicher Grundsituation besteht
eine
Bandbreite
auftretender
Formen.
Großräumige
Konvergenz,
Konvektion,
Temperaturwirkungen der Erdoberfläche und orographischer Einfluss führen regional nach
Jahreszeiten und je nach Eigenschaften der beteiligten Luftmassen zu unterschiedlichen
Bewölkungsverhältnissen und Wolkenformen.
Wolkenbildung:
Für die Wolkenbildung ist die Sättigung der Luft mit Wasserdampf eine Voraussetzung. Der
Sättigungswert der Luft ist von ihrer Temperatur abhängig. Je wärmer die Luft wird, desto mehr
Wasserdampf kann sie aufnehmen. Bei Abkühlung der Luft mit beliebiger Luftfeuchtigkeit wird
der Temperaturpunkt erreicht, bei dem diese Luft an Feuchtigkeit gesättigt ist. Diesen Wert
nennt man Taupunkttemperatur. Erreicht eine Luft diesen Punkt, wird die Feuchtigkeit
freigesetzt/kondensiert, es kommt zur Wolkenbildung oder zum Niederschlag. Somit ist die
Luftfeuchtigkeit von Temperatur abhängig.
Wolken entstehen: A. über Warmluftregionen, die Warmluft steigt auf, kühlt ab und kondensiert;
B. beim Heranführen von Warmluft in Kaltluftregion; C. an Fronten; und D. an geographischen
Erhebungen/Pässen.
5
AUF UND AB DER LUFT
Begleitmaterial zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM (Fortsetzung)
Das Föhnprinzip als thermodynamisches Phänomen ist an der Luv- und Leeseite einer
geographischen Hebung sichtbar. Das Föhnprinzip ist der atmosphärische Prozess, der beim
Übersteigen eines orographischen Hindernisses in einer Luftmasse abläuft.
Beim Föhnprinzip nehmen Luftdruck und Temperatur mit der Höhe ab, das Verhältnis von Druck
und Temperatur bleibt bis zum Kondensationspunkt konstant. Es erfolgt eine Abkühlung der Luft.
Diese Zustandsänderung ohne Ab- oder Zufuhr von Wärme nennt man adiabatisch.
Die Luft kann nur eine der Temperatur entsprechende maximale Feuchtigkeitsmenge
aufnehmen. Bei Aufwärtsbewegung eines Luftvolumens nimmt pro 100 Meter die Temperatur
zunächst um 1° ab, die Feuchte nimmt zu (der Anteil des Wasserdampfs im Luftvolumen), bis
die Taupunkttemperatur erreicht ist. Die Luft ist zu 100% gesättigt. Steigt die Luft weiter auf,
muss der Wasserdampf kondensieren.
Da die Berg- oder Passspitzen oft hoch liegen, kommt es bei der Kondensation zu Nieselregen
oder Regen und die ankommende abfallende Luft der Lee Seite zeigt somit eine geringere
Luftfeuchtigkeit auf. Nun wird die Temperaturabnahme pro 100 Meter geringer. Auf der anderen
Seite des Hindernisses erwärmt sich die Luftmasse unter steigerndem Druck und die restlichen
Wolken erreichen den Auflösungspunkt. Nun kann die Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen also
Verdampfen die Kondensationströpfchen. Die Luft kommt wärmer an. Bei unterschiedlichen
Meereshöhen der Luv- und Leeseiten sind die Temperaturen entsprechend unterschiedlich.
So wirkt das Gebirge als Sieb für die Feuchtigkeit und erwärmt die Luft zugleich. Die Luft kommt
an der Lee Seite wärmer, trockener und mit einem hohen Sättigungsdefizit an und führt zu
hohen Verdunstungsraten im Einfallgebiet. Es herrscht mehrere Tage klares Wetter, wo
außergewöhnliche Fernsicht möglich ist.
Die Folgen der adiabatischen Erwärmung und Abkühlung sind das Entstehen und Vergehen von
Wolken. Je nach Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur und Hebungsbetrag ändert sich das
Kondensations- und Auflösungsniveau der Wolken.
6
AUF UND AB DER LUFT
Begleitmaterial zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM (Fortsetzung)
Niederschlag
Kondensation führt zur Bildung von
Wassertröpfchen. Zur Auslösung von
Niederschlag müssen also zunächst
größere Tropfen in der Wolke entstehen.
Doch
Wissenschaftler
haben
herausgefunden, dass um bestimmte
Bedingungen in den Wolken zu erfüllen,
Eiskristalle in Wolken entstehen, die beim
Niederschlag durch wärmere Schichten
fallen
und
als
Tropfen
an
der
Erdoberfläche ankommen. Es wäre sonst
im Winter nicht möglich, dass aus
Wassertropfen in den unteren Schichten
Eiskristalle entstehen, diese müssen also
als erste vorkommen. Doch Erklärungen
für diese Theorie sind noch nicht
ausreichend. Es gibt mehrere Arten von
Niederschlag, zum Beispiel Regen,
Schnee, Reifgraupel, Hagel, Glatteis, Frost
usw.
Eine besondere Art bildet das Gewitter.
Umfangreiche Kondensation von Wasserdampf
und
konvektive
Umlagerungen
sind
Voraussetzungen
für
Gewitter.
Hohe
Temperaturen und feuchte Luft begünstigen bei
Freisetzung
der
Kondensationswärme
die
kräftigen Vertikalströmungen. Deshalb sind
Gewitterwolken meistens hoch aufgetürmt. Ein
Gewitter setzt sich normalerweise aus mehreren
Wolkenschichten zusammen, die aufeinander
treffen. Durch die entstehende Kondensation
zwischen Kalt- und Warmluft, oder durch
Temperatur- oder Höhenänderung bedingt,
werden
in
der
Atmosphäre
gewaltige
Wärmemengen und andere Energien freigesetzt.
Diese entladen sich als Blitze und Donner.
Ungefähr 44 000 Gewitter und etwa 8 Millionen
Blitze entladen sich täglich weltweit. Die meisten
Blitze entladen sich in Richtung All, nur wenige
gehen zur Erdoberfläche. Ein Gewitter mittlerer
Stärke hat eine Leistung von einigen Hundert
Megawatt, was der Leistung eines kleineren
Kernkraftwerks entspricht.
Es werden drei Arten von Gewitter klassifiziert:
1. Luftmassengewitter sind Wärmegewitter
und entstehen durch Überhitzung der
bodennahen
Schichten
bei
hoher
Luftfeuchtigkeit, typisch für die Tropen
oder Sommergewitter;
2. Frontengewitter treten vor allem an
Kaltfronten auf. Die Warmluft wird nach
oben geschoben. Diese Gewitter sind
langandauernd
und
meist
in
Europa/Mitteleuropa vorhanden, da auf
kalte kontinentale Polarluft warme Luft des
Golfstromes geschoben wird. Es kann
auch andersrum sein, kalte Luft schiebt
sich auf warme, diese kann nicht mehr
aufsteigen und sich abkühlen und der
entstehende Druck zwischen Luftmassen
entlädt sich;
3. Orographische Gewitter entstehen, wenn
Advektivluft
am
Gebirge
aufgleitet,
feuchtlabil wird und bis in große Höhen
aufquillt. Sie sind oft langandauernd.
7
AUF UND AB DER LUFT
Arbeitsblatt zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM (Fortsetzung)
1a.
Was
versteht
man
unter
Kondensation?
1b. Welche Formen nimmt der
Wasserdampf in der Atmosphäre an?
1c. Was versteht man unter dem
Begriff Taupunkttemperatur?
1d. Erläutere die Begriffe Luv und Lee!
1e. Erkläre das Entstehen und
Vergehen der Wolken am Beispiel des
Föhnprinzips!
2a. Charakterisiere das Aussehen von
Sommerwolken!
2b.
Warum
zerfallen
sie
am
Nachmittag?
2c. Wodurch kündigt sich regnerisches
Wetter an?
2d. Welche Fronten treffen beim
Gewitter aufeinander? Was passiert
dabei?
2e. Was wird freigesetzt, wenn es
donnert und blitzt?
3a. Wieso hält sich die kalte Luft und
das Eis in der Eishöhle?
3b. Welche Folgen hat die starke
Auskühlung der Höhle im Winter?
4a. Welche Formen des Niederschlags
kennst du?
4b. Warum nennt man die Hohe Tatra
eine Wolkenmaschine?
4c. Beschreibe die Lage der Hohen
Tatra mit Hilfe des Atlas!
8