Entstehung von Gewittern

Entstehung von Gewittern Übung

• Gib eine einfache Definition für das Naturphänomen Gewitter an.

  Tipps

  Das Grundprinzip eines Gewitters ist, dass durch Reibung in der Luft Ladung entsteht.

  Lösung

  Insbesondere an feuchtwarmen Tagen in Deutschland entstehen Gewitter. Die Gewitterentstehung beginnt mit der Verdunstung großer Mengen Wasser an der Erdoberfläche, die sich zu Wolken formen.

  In den Wolken reiben Eisteilchen und Wassertröpfchen aneinander und laden sich dadurch auf. Der Blitz ist die luftelektrische Entladung dieser Aufladung.

• Skizziere Benjamin Franklins Blitz-Experiment.

  Tipps

  Experimente werden auf folgende Weise zusammengefasst: Auf die Beschreibung des Versuchsaufbaus erfolgt die Beobachtung des Experiments und anschließend eine Auswertung und Interpretation.

  Lösung

  Benjamin Franklin lebte im 18. Jahrhundert und ging vor allem als Politiker und Naturwissenschaftler in die amerikanische Geschichte ein. In der Politik gehörte er zu den Gründervätern der Vereinigten Staaten, in der Naturwissenschaft waren seine Forschungen rund um die Elektrizität bahnbrechend.

  • Die Menschen zu Franklins Zeiten betrachteten Blitz und Donner als Bestrafungen aus dem Himmel.
  • Mit dem lebensgefährlichen Drachen-Versuch, den man nie nachstellen sollte, bewies Franklin, dass ein Blitz elektrisch geladen ist.
  • Denn er konnte beobachten, wie der Blitz in die Metallantenne einschlug, die Ladung über die Leine weitertransportiert wurde und sich dann Funken am Schlüssel bildeten.

  $\rightarrow$ Ein Blitz ist sichtbar gewordene Elektrizität.

• Erläutere die Vorphase der Gewitterbildung.

  Tipps

  Die Vorphase der Gewitterbildung lässt sich selbst in Abschnitte gliedern: Verdunstung nach oben, Abkühlung, Kondensation und final die Wolkenbildung.

  Kondensation ist die Umwandlung der gasförmigen Wassermoleküle in die flüssige Form. Dieser Vorgang ist das Gegenteil der Verdunstung.

  Lösung

  Zur Entstehung von Gewittern gehört die Wolkenbildung. Insbesondere an feuchtwarmen Tagen verdunstet viel Wasser aus den Gewässern. Die gasförmigen Wassermoleküle steigen nach oben und kühlen dort ab.

  Kalte Luft kann weniger Wassermoleküle halten, der Wasserdampf kondensiert und Wolken bilden sich. In der folgenden Übung erfährst du etwas über die Wasserteilchenreibung in den Wolken, die zu Gewittern führt.

• Leite die Entstehung von Wolken- und Erdblitzen her.

  Tipps

  Die bei der Verdunstung aufgenommene Energie durch die Sonnenstrahlung entweicht, wenn Wasserdampf kondensiert. Dadurch erwärmen sich Wolken und steigen weiter auf.

  Eis- und Wasserteilchen treffen aufeinander und laden sich auf. Plus- und Minusteilchen entstehen.

  In der Wolke sowie zwischen Wolke und Erdoberfläche entstehen insgesamt zwei elektrische Felder.

  Lösung

  Bei der Kondensation zur Wolkenbildung wird Energie freigesetzt. Dadurch nimmt die Temperatur in der Wolke zu und die Wolke steigt weiter in die Höhe bis sich Wassermoleküle in Eisteilchen verwandeln.

  • Eis- und Wasserteilchen stoßen zusammen, da die leichten Eisteilchen nach oben und die schwereren Wasserteilchen nach unten befördert werden.
  • Beim Zusammenstoß entsteht Reibung und die Teilchen laden sich positiv oder negativ auf.
  • Die Spannung steigt immer weiter an. Ab einem gewissen Spannungsfeld gleichen sich die entgegengesetzten Ladungen durch Blitze aus.
  • Dies passiert innerhalb der Wolke öfter (Wolkenblitze) und zwischen der Wolke und Erdoberfläche seltener (Erdblitze).
  • Damit die Erdblitze bis zur Erdoberfläche gelangen, wird ein sogenannter Blitzkanal durch Vorentladungen aufgebaut.

• Bestimme die Erfindung Benjamin Franklins im Zusammenhang mit Gewittern.

  Tipps

  Bei Franklins Experiment war an der Drachenspitze eine kleine Metallantenne befestigt – diese war ausschlaggebend für seine Erfindung.

  Lösung

  Neben der physikalischen Erklärung für Blitze erfand Franklin mit Hilfe der Erkenntnisse aus seinem Experiment den Blitzableiter. Ein Blitzableiter besteht aus einer Metallstange, die am höchsten Punkt eines Gebäudes montiert wird.

  • Metall hat eine hohe Leitfähigkeit.
  • Der Blitzableiter wird am höchsten Punkt eines Gebäudes angebracht, da Blitze immer die kürzesten Wege wählen und in den höchsten Punkt einschlagen.
  • Der Blitzableiter nimmt die enorme Blitzenergie auf und leitet sie ab in den Boden.

• Analysiere die Donnerbildung sowie die Zeitversetzung zum Blitz.

  Tipps

  Die Entstehung von Donner ist gekoppelt an extrem hohe Temperaturen, Luftausdehnung und daraus entstehenden Schallwellen.

  Dass Blitz und Donner zeitversetzt ankommen, weißt du. Der Grund dafür hängt mit der Lichtgeschwindigkeit des Blitzes zusammen.

  Lösung

  Stelle dir bitte die enorm hohe Temperatur im Lichtkanal von 30.000 °C vor. Dann verstehst du sicher die laute Kraft des Donners.

  • Durch den hohen Temperaturanstieg dehnt sich die Luft im Lichtkanal plötzlich aus.
  • Daraus entwickeln sich Schallwellen in alle Richtungen.

  Blitz und Donner entstehen zur gleichen Zeit – bei uns treffen sie jedoch zeitversetzt ein:

  • Das Licht des Blitzes bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, also mit 299.792.458 Meter pro Sekunde.
  • Der Schall des Donners folgt mit 343 Meter pro Sekunde deutlich langsamer.

  Aufgrund dieser Ankunftsunterschiede kannst du die Entfernung des Gewitters berechnen:

  • Zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donnergeräusch.
  • Die Anzahl der Sekunden teilst du durch Drei.
  • Das Ergebnis sind die Kilometer der Entfernung des Gewitters.