Dienstag, 12. Dezember 2006

Einführung Wetter

Warum steigt warme Luft nach oben?

Die Luftteilchen der wärmeren Luft bewegen sich schneller als die der kälteren Luft, stoßen deutlich heftiger aneinander und benötigen entsprechend mehr Platz. In einem bestimmten Rauminhalt (Volumen) wärmerer Luft passen dann weniger Teilchen hinein als in einen gleichgroßen Rauminhalt kälterer Luft Daher die geringere Dichte der wärmeren Luft. Es entsteht eine instabile Schichtung, da die unteren Luftschichten aufgrund ihrer geringeren Dichte aufsteigen und die oberen Schichten wegen ihrer höheren Dichte absinken möchten. Die unteren Luftschichten werden jedoch nicht als Ganzes erwärmt, sondern die Erwärmung verläuft ungleichmäßig, so dass dort wärmere Luftpakete mit geringerer Dichte neben kälteren Luftpaketen mit höherer Dichte nebeneinander vorkommen. Immer wieder werden wärmere Luftpakete unten durch kleinere Störungen nach oben ausgelenkt. Sie erfahren dann, da sie leichter als ihre kältere Umgebung sind, nach dem Archimedischen Prinzip Auftriebskräfte. Dadurch werden sie entgegen der Schwerkraft nach oben beschleunigt. Andererseits werden kältere Luftpakete weiter oben, durch kleine Störungen in Richtung der Schwerkraft nach unten beschleunigt. Zunächst haben die Störungen jedoch keine sichtbaren Folgen, da stabilisierende Effekte den Bewegungen einzelner Teilchen entgegenwirken: Zum einen müssen die Widerstandskräfte in der Luft überwunden werden, die mit der gegenseitigen schwachen elektrischen Anziehung der Luftmoleküle zusammenhängen . Zum anderen kühlen warme Luftpakete auf ihrem Weg nach oben ab und erreichen die Oberfläche deshalb nur, wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen unten und oben erreicht ist. Dann allerdings ist die Auftriebskraft groß genug, um alle stabilisierenden Kräfte zu überwinden. Kleine Störungen verstärken sich so sehr, dass sich auf- und absteigende Luftströmungen bilden.


Computersimulation von Luft, die von unten erwärmt wird(Rot=erwärmte Luftpakete, Blau=kältere Luftpakete)Quelle: University of Adelaide, School of Chemistry & PhysicsDie wärmeren Luftpakete erfahren in ihrer Umgebung aus kälteren Luftpaketen eine aufwärts gerichtete Kraft, den Auftrieb (Prinzip des Archimedes) Dieser ergibt sich aus der jeweiligen Luftdruckdifferenz an den Unter- und Oberseiten der wärmeren Luftpakete. Der Druck an der Unterseite ist wegen der höheren Luftsäule und ihres entsprechend größeren Gewichtes, immer stärker als an der Oberseite. Daraus ergibt sich eine Auftriebskraft. Sie entspricht der Gewichtkraft der von dem wärmeren Luftpaketen verdrängten kälteren Luft Die Seitendrücke auf die wärmeren Luftpakete heben sich gegenseitig auf und spielen daher keine Rolle. Da die wärmeren Luftpakete, deren Luftteilchen sich entsprechend der höheren Temperatur schneller bewegen und daher mehr Platz benötigen, immer eine geringere Dichte als die kältere Umgebungsluft haben, ist die Auftriebskraft durch die von ihnen verdrängte kältere Luft immer größer als die Gewichtkräfte, die auf die wärmeren Luftpakete wirken. Deshalb steigen sie auf.

Dabei setzen sich, nach dem Ausprobieren der verschiedensten Strömungbewegungen die wirkungsvollsten Bewegungsformen, also diejenigen, die den Wärmetransport von unten nach oben am besten gewährleisten, in einem Ausleseprozess durch. Das Ergebnis des Ausleseprozesses hängt von der Temperaturdifferenz zwischen unten und oben ab, also von der Aufstiegsgeschwindigkeit der erwärmten Luft. Es können aber auch mehrere verschiedene Bewegungsformen zusammenwirken.

Jens Christian Heuer

Quelle:

Viel Wirbel um Wirbel
http://www.philippi-trust.de/hendrik/braunschweig/wirbeldoku/index.html

1 Kommentar:

Anonym hat gesagt…

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