physik am samstag, 18. juni 20051 von der schäfchenwolke … ©
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 11
Von der Schäfchenwolke …
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 22
… zum Gewitter
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Klaus D. Beheng, Institut für Meteorologie und Klimaforschung
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 33
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 ?
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 44
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
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 55
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 66
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
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 77
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 88
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
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 1010
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 ;
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 1212
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)
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Wie entstehen Wolken ? Wie entstehen Wolken ?
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 1414
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)
- durch Aufsteigen von Luft, die am Boden erwärmt wird - durch Aufsteigen von Luft, die am Boden erwärmt wird (Konvektion)(Konvektion)
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Wie entstehen Wolken ? Wie entstehen Wolken ?
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Südbrasilien vom Space Shuttle aus
Wolkenobergrenze : 15 km
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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)
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 1818
Howard Luke, 1810
Goethe, 1817
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Beispiele von Wolkenformen (1)Beispiele von Wolkenformen (1)CirrenCirren
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 2020
Beispiele von Wolkenformen (2)Beispiele von Wolkenformen (2)CumulusCumulus
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 2121
Beispiele von Wolkenformen (3)Beispiele von Wolkenformen (3)StratusStratus
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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.
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Ammoniumsulfat + Russ
1 m
100 m
Haar
Ätna, 14.12.2002, space shuttle
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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
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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)
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Wolkenpartikel: Wachstum
Durch Kondensation:
Wasserdampf strömt auf ein kleines Tröpfchen auf,
wodurch es sich vergrössert
Wasserdampf
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Wolkenpartikel: Wachstum
Durch Stossen:
Kleine Tropfen stossen mit kleinen oder grossen,
wodurch sie noch grösser werden
… oder auch nicht
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Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Univ. Stuttgart
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Diplomarbeit Kai Jellinghaus, in Kooperation mit Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Univ. Stuttgart
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Wilson Bentley (1865-1931)
„Snowflake Bentley“
1. Eiskristallphoto: 1885
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 3131
Libbrecht & Rasmussen, 2003
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Wolkenpartikel: Wachstum
Eiskristalle wachsen durch Deposition:
Unterkühlter Wasserdampf strömt auf den Kristall auf
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Nakaya, 1954
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Wolkenpartikel: Wachstum
Eiskristalle wachsen auch durch Anfrieren von unterkühlten Wolkentropfen: Es entstehen Graupelpartikel
… und dann Hagel
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… und jetzt der Weltrekord
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Hagel, 600 g (ca. 60% der Gesamtmasse)
Durchmesser: 18 cm, Fallgeschwindigkeit: 160 km/h
22. Juni 2003, Aurora, Nebraska, USA
Weltrekord
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Hagel, 750 g
Durchmesser: 15 cm, Fallgeschwindigkeit: 180 km/h
3. September 1970, Coffeyville, Kansas, USA
alter Weltrekord
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Hagel, 750 g
Durchmesser: 15 cm, Fallgeschwindigkeit: 180 km/h
3. September 1970, Coffeyville, Kansas, USA
alter Weltrekord
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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
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Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 4444
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.
Wie lernt man etwas über Wolken ? (2)Wie lernt man etwas über Wolken ? (2)
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 4545
Wie lernt man etwas über Wolken ? (3)Wie lernt man etwas über Wolken ? (3)
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Durch mathematisch-physikalische Modelle
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Seifert, 2002
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Berechnungen von Wolken (1) Berechnungen von Wolken (1)
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Berechnungen von Wolken (2)Berechnungen von Wolken (2)
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Berechnungen von Wolken (3)Berechnungen von Wolken (3)
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Berechnungen von Wolken (4)Berechnungen von Wolken (4)
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Radarmessungen (1)Radarmessungen (1)
C-Band Doppler Radar, Forschungszentrum Karlsruhe
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Radarmessungen (2)Radarmessungen (2)
C-Band Doppler Radar, Forschungszentrum Karlsruhe
Jan Handwerker, 2003
Physik am Samstag, 18. Juni 2005Physik am Samstag, 18. Juni 2005 5353
Radarmessungen (3)Radarmessungen (3)
Winfried Straub, 2004
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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.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit