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Geowissenschaften

Unterrichtsziele

  • Diskutieren Sie den Unterschied zwischen Wetter und Klima.
  • Beschreiben Sie die Beziehung zwischen Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, einschließlich des Konzepts des Taupunkts.
  • Listen Sie die Grundlagen der verschiedenen Wolkentypen auf und was sie über das aktuelle und zukünftige Wetter aussagen.
  • Erklären Sie, wie sich die verschiedenen Niederschlagsarten bilden.

Vokabular

  • Wolke
  • Taupunkt
  • relative Luftfeuchtigkeit

Einführung

Wenn Sie jemand im ganzen Land fragt, wie das Wetter heute ist, müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen. Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Menge und Art der Wolken sowie Niederschlag sind Teil eines gründlichen Wetterberichts. In diesem Kapitel erfahren Sie mehr über viele dieser Funktionen.

Was ist Wetter und Klima?

Wetter ist das, was in der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit vor sich geht. Das Wetter kann sich schnell ändern. Das Wetter eines Ortes hängt ab von:

  • lufttemperatur
  • Luftdruck
  • Nebel
  • Luftfeuchtigkeit
  • Wolkendecke
  • Niederschlag
  • Windgeschwindigkeit und -richtung

All dies hängt direkt mit der Energiemenge zusammen, die sich im System befindet und wo sich diese Energie befindet. Die ultimative Quelle dieser Energie ist die Sonne.

Das Klima ist der Durchschnitt des Wetters einer Region im Laufe der Zeit. Das Klima für einen bestimmten Ort ist stabil und ändert sich nur sehr langsam. Das Klima wird von vielen Faktoren bestimmt, einschließlich des Sonnenwinkels, der Wahrscheinlichkeit einer Wolkendecke und des Luftdrucks. All diese Faktoren hängen mit der Energiemenge zusammen, die im Laufe der Zeit an diesem Ort gefunden wird.

Luftfeuchtigkeit

Luftfeuchtigkeit ist die Menge an Wasserdampf in der Luft an einem bestimmten Ort. Wir verwenden den Begriff normalerweise für die relative Luftfeuchtigkeit, den Prozentsatz an Wasserdampf, den ein bestimmtes Luftvolumen im Verhältnis zur maximalen Menge enthält, die es enthalten kann. Wenn die Luftfeuchtigkeit heute 80% beträgt, bedeutet dies, dass die Luft 80% der gesamten Wassermenge enthält, die sie bei dieser Temperatur halten kann. Was passiert, wenn die Luftfeuchtigkeit auf mehr als 100% ansteigt? Das überschüssige Wasser kondensiert und bildet Niederschlag.

Da warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kühle Luft, kann das Anheben oder Absenken der Temperatur die relative Luftfeuchtigkeit der Luft verändern (Abbildung unten). Die Temperatur, bei der Luft mit Wasser gesättigt wird, wird als Taupunkt der Luft bezeichnet. Dieser Begriff ist sinnvoll, da Wasser als Tau aus der Luft kondensiert, wenn die Luft über Nacht abkühlt und 100% Luftfeuchtigkeit erreicht.

Dieses Diagramm zeigt die Menge an Wasser, die Luft bei verschiedenen Temperaturen halten kann. Die Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben.

Wolken

Wolken haben großen Einfluss auf das Wetter:

  • indem verhindert wird, dass Sonnenstrahlung den Boden erreicht.
  • durch Absorption von Wärme, die vom Boden wieder abgegeben wird.
  • als Niederschlagsquelle.

Wenn es keine Wolken gibt, gibt es weniger Isolierung. Infolgedessen können wolkenlose Tage extrem heiß und wolkenlose Nächte sehr kalt sein. Aus diesem Grund haben bewölkte Tage tendenziell einen niedrigeren Temperaturbereich als klare Tage.

Wolken bilden sich, wenn die Luft ihren Taupunkt erreicht. Dies kann auf zwei Arten geschehen: (1) Die Lufttemperatur bleibt gleich, aber die Luftfeuchtigkeit steigt. Dies ist an Orten üblich, die warm und feucht sind. (2) Die Luftfeuchtigkeit kann gleich bleiben, die Temperatur nimmt jedoch ab. Wenn die Luft genug abkühlt, um 100% Luftfeuchtigkeit zu erreichen, bilden sich Wassertropfen. Luft kühlt ab, wenn sie mit einer kalten Oberfläche in Kontakt kommt oder wenn sie aufsteigt.

Aufsteigende Luft erzeugt Wolken, wenn sie auf oder in Bodennähe erwärmt wurde und dann über einen Berg oder eine Bergkette oder über eine Masse kalter, dichter Luft geschoben wird.

Wasserdampf ist nur sichtbar, wenn er zu einer Wolke kondensiert. Wasserdampf kondensiert um einen Kern wie Staub, Rauch oder einen Salzkristall. Dies bildet einen winzigen Flüssigkeitströpfchen. Milliarden dieser Wassertröpfchen bilden zusammen eine Wolke.

Wolken werden auf verschiedene Arten klassifiziert. Die heute am häufigsten verwendete Klassifizierung unterteilt Wolken in vier separate Wolkengruppen, die durch ihre Höhe bestimmt werden (Abbildung unten).

Die vier Wolkenarten und wo sie sich in der Atmosphäre befinden.

Hohe Wolken

Hohe Wolken (Abbildung unten) bilden sich aus Eiskristallen, wo die Luft extrem kalt ist und wenig Wasserdampf aufnehmen kann. Cirrus, Cirrostratus und Cirrocumulus sind Namen für hohe Wolken.

( a) Zirruswolken sind dünne Streifen von Eiskristallen, die in großen Höhen gefunden werden. (b) Cirrostratus-Wolken sind dünne weiße Eiskristallplatten, die manchmal unsichtbar sind, es sei denn, sie werden von Sonne oder Mond hinterleuchtet.

Cirrocumuluswolken sind kleine, weiße Puffs, die sich oft in Reihen über den Himmel kräuseln. Zirruswolken können darauf hinweisen, dass ein Sturm kommt.

Mittlere Wolken

Mittlere Wolken, einschließlich Altocumulus- und Altostratus-Wolken, können je nach Lufttemperatur aus Wassertröpfchen, Eiskristallen oder beidem bestehen (Abbildung unten).

Altocumuluswolken sind weiße bis geschwollene Streifen, die über den Himmel rollen. Sie können einem Gewitter vorausgehen.

Dicke und breite Altostratuswolken sind grau oder blaugrau. Sie bedecken oft den gesamten Himmel und bedeuten normalerweise, dass ein großer Sturm mit viel Niederschlag kommt.

Niedrige Wolken

Niedrige Wolken (Abbildung unten) sind fast alle Wassertropfen. Stratus-, Stratocumulus- und Nimbostratus-Wolken sind häufige niedrige Wolken.

( a) Stratuswolken sind graue Blätter, die den gesamten Himmel bedecken und einen stetigen Nieselregen erzeugen können. Stratuswolken mit den Alpen in der Ferne. (b) Stratocumuluswolken sind Reihen von großen, niedrigen Puffs, die weiß oder grau sein können. Diese Wolken bringen selten Niederschlag.

Nimbostratus Wolken sind dick und dunkel. Sie bringen stetigen Regen oder Schnee.

Vertikale Wolken

Wolken mit dem Präfix ‘cumulo-‘ (Abbildung unten) wachsen vertikal statt horizontal und haben ihre Basis in geringer Höhe und ihre Spitzen in hoher oder mittlerer Höhe. Wolken wachsen vertikal, wenn starke Luftströmungen nach oben steigen.

( a) Cumuluswolken ähneln weißer oder hellgrauer Baumwolle und haben hoch aufragende Spitzen und können leichte Schauer erzeugen. (b) Eine Cumulonimbuswolke wächst, wenn vertikale Luftströmungen wie bei einem Gewitter stark sind. Dieser wird vom Blitz beleuchtet.

Ein Online-Leitfaden zur Cloud-Entwicklung und zu verschiedenen Cloud-Typen der University of Illinois finden Sie hier: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/cld/home.rxml.

Nebel

Nebel (Abbildung unten) ist eine Wolke, die sich am oder in Bodennähe befindet . Wenn feuchte Luft in Bodennähe unter ihren Taupunkt abkühlt, bildet sich Nebel. Die verschiedenen Arten von Nebel, die sich jeweils auf unterschiedliche Weise bilden.

  • Strahlungsnebel bildet sich nachts bei klarem Himmel und hoher relativer Luftfeuchtigkeit. Wenn der Boden abkühlt, kühlt die untere Luftschicht unter ihren Taupunkt ab. Tule Nebel ist eine extreme Form von Strahlung Nebel in einigen Regionen gefunden.
  • San Francisco, Kalifornien, ist berühmt für seinen sommerlichen Advektionsnebel. Warme, feuchte Pazifikluft weht über den kalten kalifornischen Strom und kühlt unter seinen Taupunkt ab. Meeresbrise bringt den Nebel an Land.
  • Dampfnebel tritt im Herbst auf, wenn sich kühle Luft über einen warmen See bewegt. Wasser verdunstet von der Seeoberfläche und kondensiert beim Abkühlen und erscheint wie Dampf.
  • Warme feuchte Luft wandert einen Hang hinauf und kühlt sich unter ihren Taupunkt ab, um Nebel zu erzeugen

( a) Tule Nebel im Central Valley von Kalifornien. (b) Advektionsnebel in San Francisco. (c) Dampfnebel über einem See. (d) Aufwärtsnebel in der Stadt Teresópolis, Bundesstaat Rio de Janeiro, Brasilien.

KQED: Wissenschaft vor Ort: Die Wissenschaft des Nebels

Die Nebelpegel sinken entlang der kalifornischen Küste, wenn sich das Klima erwärmt. Die Änderung des Nebels kann große ökologische Veränderungen für den Staat haben. Erfahren Sie mehr unter: http://science.kqed.org/quest/video/science-on-the-spot-science-of-fog/.

Niederschlag

Niederschlag (Abbildung unten) ist ein extrem wichtiger Teil des Wetters. Einige Niederschläge bilden sich an Ort und Stelle .

( a) Tau bildet sich, wenn feuchte Luft auf einer kalten Oberfläche wie einer Blume unter ihren Taupunkt abkühlt. (b) Frost ist Tau, der sich bildet, wenn die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt; Raureif.

Der häufigste Niederschlag kommt von Wolken. Regen- oder Schneetröpfchen wachsen, wenn sie Luftströmungen in einer Wolke reiten und andere Tröpfchen sammeln (Abbildung unten). Sie fallen, wenn sie schwer genug werden, um den aufsteigenden Luftströmungen zu entkommen, die sie in der Wolke halten. Eine Million Wolkentropfen werden kombiniert, um nur einen Regentropfen zu bilden! Wenn die Temperaturen kalt sind, trifft das Tröpfchen als Schneeflocke auf den Boden.

( a) Regen fällt von Wolken, wenn die Temperatur ziemlich warm ist. (b) Schneesturm in Boston, Massachusetts.

Andere weniger häufige Niederschlagsarten sind Graupel (Abbildung unten).

( a) Schneeregen ist Regen, der zu Eis wird, wenn er auf eine gefrierende Luftschicht in Bodennähe trifft. (b) Wenn ein kalter Regentropfen auf dem kalten Boden gefriert, bildet er Glasur. (c) Hagel bildet sich in Cumulonimbuswolken mit starken Aufwinden. Ein Eispartikel wandert, bis es schließlich zu schwer wird und abfällt. Diese große hagel stein ist über 6 cm (2,5 zoll) in durchmesser.

Ein Online-Leitfaden der University of Illinois zu verschiedenen Niederschlagsarten finden Sie hier: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/cld/prcp/home.rxml.

Zusammenfassung der Lektion

  • Unterschiedliche Lufttemperaturen erzeugen Konvektionszellen.
  • Luft, die in einer Konvektionszelle aufsteigt, kann sich ausreichend abkühlen, um ihren Taupunkt zu erreichen und Wolken oder Niederschlag zu bilden, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch genug ist.
  • Wolken oder Nebel können sich bilden, wenn wärmere Luft auf eine kältere Bodenoberfläche trifft. Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit bestimmen auch, welche Arten von Wolken und Niederschlägen sich bilden.
  • Verschiedene Faktoren spielen eine Rolle bei der Schaffung von angenehmem oder unangenehmem Wetter, z. B. wenn es warm und trocken oder heiß und feucht ist.

Überprüfungsfragen

1. Welche Faktoren müssen in einem gründlichen Wetterbericht berücksichtigt werden?

2. Wenn Phoenix, Arizona, einen kühlen, nassen Tag im Juni erlebt (wenn das Wetter normalerweise heiß und trocken ist), bedeutet das, dass sich das Klima der Region ändert?

3. Was passiert, wenn eine Luftmenge ihren Taupunkt erreicht? Was ist die Temperatur?

4. Welche Auswirkungen haben Wolken auf das Wetter?

5. Sie stehen an einem Ort, der am Morgen klar ist, aber am Nachmittag gibt es Gewitter. Tagsüber gibt es keinen Wind, daher bauen sich die Gewitter direkt über Ihnen auf. Beschreiben Sie, wie dies geschieht.

6. Was sind die vier verschiedenen Wolkengruppen und wie werden sie klassifiziert?

7. Wie entsteht Schneeregen? Wie entsteht Glasur?

8. Unter welchen Umständen müssen riesige Hagelkörner wachsen und dann zu Boden fallen?

Zu berücksichtigende Punkte

  • Welche Faktoren halten Sie für wichtig, wenn Sie über das Wetter nachdenken?
  • Wie erzeugen Lufttemperatur-, Feuchtigkeits- und Druckunterschiede unterschiedliches Wetter?
  • Denken Sie über die in dieser Lektion beschriebenen Wetterarten nach. Stellen Sie sich Wetterarten vor, die Sie noch nicht erlebt haben, schauen Sie sich Fotos an und fragen Sie Freunde und Verwandte, die an anderen Orten gelebt haben, wie ihr Wetter ist.

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