AUF UND AB DER LUFT. Praxis Unterrichtsfilm Draisendorf Wiesenttal

Transkript

1 AUF UND AB DER LUFT 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 Wiesenttal 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. 1

2 Filmtext zum PRAXIS UNTERRICHTSFILM Filmtext Luv und Lee 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. Sommerwolken 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

3 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 Eis- Wasserfälle. 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

4 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

5 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

6 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

7 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 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

8 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