Wie entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete?

Sie sind in jedem Wetterbericht enthalten: Hoch- und Tiefdruckgebiete. Sie bekommen sogar Namen. Jedes Jahr ändert sich, ob Tiefdruckgebiete männliche Namen und Hochdruckgebiete weibliche  bekommen oder anders herum. Aber wie entstehen eigentlich Gebiete unterschiedlichen Drucks?

Dazu muss als erstes gesagt werden, dass die Entstehungen durch viele teils sehr komplexe Wettermechanismen hervorgerufen werden. Ich will hier bloß ein einfaches grundlegendes Modell erklären.

Wenn sich die Luft in Bodennähe z.B. durch Sonneneinstrahlung aufwärmt, steigt sie auf Grund geringerer Dichte nach oben. Wenn das großflächig passiert, dann sinkt in diesem Areal der Druck, es entsteht also ein Tiefdruckgebiet. Der durchschnittliche Luftdruck in Bodennähe beträt 1013 hPa (hektopascal) also 1,013 bar. In Tiefdruckgebieten herrscht ein Luftdruck etwa zwischen 980 und 1000 hPa. Beim Aufsteigen kühlt sich die Luft ab und damit steigt auch die relative Luftfeuchtigkeit (vgl. Wie entsteht ein Gewitter? oder Die eingefrorene Windschutzscheibe). Es kommt also zu Wolkenbildung oder sogar Regen. Außerdem entstehen Winde, da Luft von Gebieten höheren Drucks in das Tiefdruckgebiet strömt um das Druckgefälle auszugleichen. Deshalb verbindet man Tiefdruckgebiete meist mit eher schlechtem Wetter. Die Luftmassen, die in einem Tiefdruckgebiet aufsteigen müssen aber ja irgendwo wieder runterkommen. An diesen Stellen entsteht dann ein Hochdruckgebiet durch den genau umgekehrten Effekt. Auch die Effekte der Wolkenbildung werden hier umgekehrt, sodass in Hochdruckgebieten meist eher schönes Wetter herrscht. Hochdruckgebiete haben etwa einen Luftdruck von 1040 bis 1065 hPa.

Wie gesagt ist das bloß eine sehr grobe Erklärung der Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten, aber das Prinzip lässt sich an Hand dieser Erklärung darstellen.

 

Quellen:

https://www.goruma.de/erde-und-natur/meteorologie/hoch-und-tiefdruckgebiete

https://content.meteoblue.com/de/meteoscool/grosswetterlagen/hoch-und-tiefdruckgebiete

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Warum sind Wolken weiß oder auch grau?

Weiße Wolken in einem blauen Himmel. So stellt man sich einen traumhaften Sommertag vor. Aber warum sind Wolken eigentlich weiß oder im Fall von Regenwolken auch grau?

Dazu müssen wir erst einmal verstehen, was die Farbe weiß eigentlich ist. Sie ist nämlich eine Überlagerung aller Farben des Spektrums der Sonne. Sonnenlicht ist somit auch weißes Licht. Genau dieses Sonnenlicht ist es auch, dass den Wolken ihre Farbe gibt. Fällt das Sonnenlicht nämlich auf eine Wolke, die ja bekanntlich aus sehr vielen, sehr kleinen Wassertropfen besteht, so wird das weiße Licht an diesen Tropfen in alle Richtungen gestreut. Die Wolke sieht also erst einmal von allen Richtungen weiß aus. Was passiert aber in einer Regenwolke, so dass sie grau bis fast schwarz erscheint?

Das Licht, das an den Tropfen in der Wolke gestreut wird muss natürlich trotzdem noch irgendwie durch die Wolke zu unserem Auge gelangen, damit wir es sehen können. Je dichter eine Wolke wird und je größer die Wassertropfen darin werden, desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein Lichtstrahl eine Wolke komplett durchdringt und von unserem Auge gesehen werden kann. Die Intensität des Lichts, das Regenwolken durchdringt ist also deutlich abgeschwächt. Das Resultat ist eine graue bis hin zu einer fast schwarzen Wolke.

Bildlich kann man sich das Ganze etwa wie folgt vorstellen: Die Tröpfchen in einer Wolke fungieren wie sehr kleine Spiegel, die das eintreffende Licht in eine zufällige Richtung reflektieren (streuen). Bis zu einer gewissen Wolkendichte ist es sehr wahrscheinlich, dass zumindest ein Teil des eintreffenden Lichts trotz mehrfacher Spiegelung am Ende durch die Wolke gelangt. Je mehr Wassertropfen in einer Wolke sind und je größer diese werden, desto unwahrscheinlicher ist der Fall, dass ein Strahl die Wolke durchdringt und die Wolke erscheint grau.

Wie entsteht der Föhn (Wind)?

An außergewöhnlich warmen Tagen hört man oft im Wetterbericht, dass der Föhn dieses warme Wetter beschert. Aber was ist Föhn eigentlich und wie entsteht er?

Der im Sprachgebrauch als Föhn bezeichnete Wind ist grundsätzlich erst einmal ein warmer Fallwind, der bei uns in Deutschland von den Alpen her über Bayern und Baden- Württemberg nach Norden weht. Aber wie entsteht dieser Wind und warum ist er so warm?

Voraussetzung, dass überhaupt ein Wind von Süden her über die Alpen zu uns weht ist, dass auf unserer Seite der Alpen, also über Deutschland, ein Tiefdruckgebiet liegt. Auf der Südseite der Berge in Italien muss hingegen ein Hochdruckgebiet liegen. Durch den höheren Druck auf der einen und den niedrigen Druck auf der anderen Seite der Berge entsteht eine Sogwirkung, die die Luft von Süden her über die Alpen drückt. Auf der Luvseite der Berge, also die dem Wind zugewandte Seite, steigt die Luft nach oben und kühlt sich dabei ab. Im Normalfall erst einmal mit ca. 1°C pro 100 Meter Höhenunterschied. Ab einer gewissen Höhe und Temperatur fängt allerdings die Luftfeuchtigkeit an zu kondensieren und es bilden sich Wolken. Bei dieser Kondensation wird Wärme frei, wodurch die weiterhin aufsteigende Luft sich nun nicht mehr ganz so stark abkühlt (ca. 0,5°C pro 100 Meter). Mit zunehmender Wolkenbildung fängt es auf der Luvseite irgendwann an zu regnen. Das ist dann der sogenannte Steigungsregen, den man oft in den Bergen beobachten kann. Irgendwann hat die Luftmasse den Kamm des Berges erreicht und wird ab dort dann von dem Tiefdruckgebiet Richtung Tal „gezogen“. Da sich bei dieser Abwärtsbewegung der Luftmasse die absolute Luftfeuchtigkeit, also der tatsächliche Anteil an Wasserdampf in der Luft nicht oder nur geringfügig ändert, kann sich die Luft auf dem Weg nach unten wieder mit 1°C pro 100 Meter erwärmen. Die Folge daraus ist, dass die Erwärmung durch das hinab fallen auf der Leeseite (windabgewandt) stärker ist als die Abkühlung auf der Luvseite. Die Luft kommt bei uns in Deutschland somit wärmer an als sie in Norditalien auf die Alpen trifft. Folglich beschert uns ein Föhn immer eine warme Wetterlage, die gerade im Süden Deutschlands zusätzlich noch von Norden her anrückende Wolken vertreibt.

Das ist nicht die einzige Erklärung, wie ein Föhn entstehen kann aber eine, die zumindest das Grundprinzip erklärt, warum dieser Wind so warm ist und gutes Wetter bringt. Hoffen wir also auf viel Föhn in diesem Frühling.

 

Quellen:

http://www.br.de/themen/wissen/meteorologie-wetter-foehn-106.html

http://www.wetter.de/cms/was-ist-foehn-und-wie-entsteht-er-1752881.html

Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen?

Jeder hat schon einmal einen Regenbogen gesehen und sich an seiner Farbenpracht erfreut. Gerade weil einem Regenbogen meist ein Regenschauer vorausgeht und mit der wieder auftauchenden Sonne auf der einen, und der schwarzen Wolkenwand auf der anderen Seite ein wundervolles Lichtspiel entsteht. Doch wie genau entsteht eigentlich ein Regenbogen? Wie kann aus hellem, blendendem Sonnenlicht und einer Weltuntergang ähnlichen Regenfront ein so farbenfrohes Gebilde entstehen?

Die Antwort gibt uns die Optik, ein Teilbereich der Physik. Die Gesetze der Optik erklären unter Anderem Phänomene wie Spiegelung, Brechung oder Streuung – alles Begriffe, die man schon einmal gehört hat – aber was steckt dahinter?

Um den Regenbogen zu verstehen, muss man erst wissen, was genau eigentlich Sonnenlicht ist. Licht im Allgemeinen ist elektromagnetische Wellen. Ähnlich wie auch Radiowellen oder andere Funksignale. Entscheidend für die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle ist deren Wellenlänge, also der Abstand, nachdem die Schwingung der Welle wieder den gleichen Punkt erreicht hat, wie der Startpunkt. Man kann sich das genau wie eine auf und ab Bewegung von beispielsweise Wasserwellen oder einem in Schwingung gebrachten Seil vorstellen.

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In dieser Abbildung ist eine solche Welle zu sehen. Die hier eingezeichnete Periodendauer entspricht der Wellenlänge. Dieser Bereich wiederholt sich unendlich oft in der Welle. Die Amplitude ist ein Maß für die Intensität, ist hier aber erst mal uninteressant.

Das Spektrum der Wellenlängen einer elektromagnetischen Welle reicht von Nanometern ( ein Millionstel Millimeter) bis mehrere 100 Kilometer. Der Bereich, den wir als sichtbares Licht wahrnehmen liegt etwa zwischen 400 und 800 Nanometer.

So viel zu der grundsätzlichen Erklärung was Licht denn eigentlich ist.

Das Phänomen, das hauptsächlich für die Entstehung eines Regenbogens verantwortlich ist, ist die Brechung von Licht. Brechung kann immer dann auftreten, wenn Licht von einem Medium in ein Anderes über eine Grenzfläche übergeht. Ein Beispiel ist der Übergang von Luft nach Glas oder auch Wasser. Bei dem Durchdringen einer solchen Grenzfläche kann das Licht, je nach Bedingungen und Eigenschaften, seine Richtung ändern. Vielleicht hast du dich auch schon einmal gewundert, warum man, wenn man mit dem Kopf unter Wasser ist, nicht einfach so nach draußen schauen kann, wenn man nicht gerade senkrecht nach oben schaut. Auch hier tritt eine Brechung des Lichts ein. Das Licht außerhalb des Wassers erreicht die Wasseroberfläche und läuft dann aber nicht geradlinig weiter, sondern ändert seine Richtung und gelangt so nicht mehr in unser Auge.

Hier nochmal eine Veranschaulichung der Brechung von Licht an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser.

Der Brechungswinkel, der in der Abbildung mit β gekennzeichnet ist, hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Ein Lichtstrahl aus blauem Licht (ca. 450nm) wird also anders gebrochen als ein Lichtstrahl rotes Licht ( ca. 700nm).

Um nun zu verstehen, warum aus Sonnenlicht ein Regenbogen aus mehreren Farben werden kann, muss man wissen, dass Sonnenlicht eine Überlagerung des gesamten Lichtspektrums ist. D. h. Sonnenlicht besteht im Prinzip aus allen Farben, deren Überlagerung uns aber weiß bzw. farbneutral vorkommt.

Wenn also Sonnenlicht von der einen Seite auf die dunkle „Regenwand“ auf der anderen Seite trifft, wird das Licht der Sonne in jedem einzelnen Regentropfen gebrochen, wobei der Wellenlängen abhängige Brechungswinkel das bis dato weisliche Licht in ein Spektrum aus Farben auffächert. Dieses breite Band an Farben sehen wir dann als Regenbogen. Die Reihenfolge der Farben in einem Regenbogen (violett, blau, grün, gelb, orange, rot) ist folglich auch immer die Selbe.

Eine Frage bleibt allerdings noch offen: Angenommen das Sonnenlicht kommt aus Sicht des Betrachters von rechts, dann ist die Regenwand auf der linken Seite. Wie kommt nun das Licht, das von rechts nach links verläuft wieder zum Betrachter in der Mitte zurück?

Hier findet ein weiteres Phänomen der Optik statt. Die Reflexion oder Spiegelung. Reflexion findet genau wie die Brechung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien statt. Im Gegensatz zur Brechung gilt hier allerdings der bekannte Satz: “ Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ egal für welche Wellenlänge. Was passiert also nachdem der Lichtstrahl der Sonne auf einen Regentropfen getroffen ist? An der ersten Grenzschicht von Luft nach Wasser wird das Licht gebrochen und in seine Farben auf gespaltet. Das nun regenbogenfarbene Licht läuft weiter durch den Tropfen durch, bis es auf die zweite Grenzschicht trifft. Das Ende des Regentropfens also ein Übergang von Wasser nach Luft. Hier wird ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert, also zurückgeworfen. Dieser Teil ist das Licht, dass wir dann als Regenbogen sehen können.

Wenn du jetzt das nächste Mal einen Regenbogen siehst und dich jemand fragt, wie das eigentlich möglich ist, kannst du ihm oder ihr dieses Phänomen ausführlich erklären.