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Wolken – Tonnenschwer und voller Energie

Wer etwas über das Wetter lernen will, für den gilt noch heute: Schau die Wolken am Himmel an! Die Vielfalt und Veränderlichkeit dieser Geschöpfe aus Wassertröpfchen oder Eiskristallen erscheint grenzenlos. Dem Kenner verraten sie aber sehr viel über das Wetter der kommenden Stunden oder gar Tage. In der lehrreichen Simulation werden die verschiedenen Wolkengattungen einmal genauer vorgestellt. Interaktiv lässt sich erkunden, wie Wolken und Nebel entstehen und was sie über die jeweilige Wetterlage verraten.

Wolkenlabor starten

Im Wolkenlabor lässt sich u.a. die Entstehung des Altostratus interaktiv nachvollziehen. Diese Wolkenformation entsteht durch die langsame Hebung ausgedehnter Luftschichten, wie sie etwa bei der Annäherung einer Warmfront stattfindet. Die graue bis bläuliche einförmige Wolkenschicht kann sich dabei horizontal über mehrere Hundert Kilometer und vertikal über mehrere Tausend Meter ausdehnen. Die Sonne ist dann nicht mehr zu erkennen.

Detailansicht der Simulation: Kompass zur Bedienung der Interaktivität

Funktionsweise der Wolkensimulation

Das Menü zur Bedienung der Wolkensimulation lässt über den Kompass im linken, unteren Teil der Interaktivität aufrufen. Mit einem einfachen Klick auf das gewünschte Piktogramm gelangt man zu den einzelnen Kategorien: Wolkenarten, Nebel, konvektive Wolkenbildung, advektive Wolkenbildung und Wolkenlabor.

1. Wolkenarten

Wolken werden – je nach ihrer Erscheinungsform und ihrer Höhe in der Atmosphäre – in verschiedene Wolkengattungen und weiter in Wolkenarten und -unterarten eingeteilt. In der Interaktivität kann man diese eingehend erforschen: Mit den Pfeiltasten scrollt man durch den Horizont; weiterführende Informationen erhält man mit einem Klick auf die gewünschte Wolkenformation.

Detailansicht der Simulation: Cirrus

Die weißen Federwolken entstehen in Höhen zwischen 5 und 13 Kilometern und bestehen aufgrund der hier herrschenden Kälte ausschließlich aus Eiskristallen. Sie wirken äußerst zart und oft auch faserig: Dies wird durch starke Höhenwinde hervorgerufen.

Generell sollte man sich allerdings bewusst machen: Wolken sind nicht nur flüchtige Gebilde, sondern auch Meister der Metamorphose. So kann aus einer kleinen Quellwolke (Cumulus humilis) innerhalb kürzester Zeit eine mächtige Schauerwolke (Cumulonimbus) entstehen, deren vereister Amboss beim Auflösen der Wolke zu feinen Eiswolken (Cirrus) zerfasern kann.

2. Nebel

Wissenswerte Informationen rund um die Thematik "Nebel" werden in Form einer anschaulichen interaktiven Animation präsentiert.

Bodennebel bildet sich in erster Linie in klaren und windstillen Nächten. Mit dem Sonnenaufgang am nächsten Morgen beginnt der Nebel sich wieder aufzulösen – hierfür muss man in der Interaktivität auf den Button "Tag" klicken. In der kalten Jahreszeit schafft es die Sonne manchmal nicht mehr, den Bodennebel tagsüber wieder aufzulösen. Dann kann sich eine mächtige Hochnebeldecke ausbilden. Häufig ist damit auch eine sogenannte Inversionswetterlage verbunden – um sich diesen Vorgang anzuschauen, muss die Schaltfläche "Hochnebel" angeklickt werden.

Detailansicht der Simulation: Gewitterwolke

Die Cumulonimbus, die Gewitter- oder Schauerwolke, ist der unbestrittene Herrscher des Himmels und erstreckt sich von der untersten Etage bis hinauf zu den Cirren über sämtliche Stockwerke. Der obere Wolkenbereich bildet den typischen Amboss aus, der faserig wirkt und ausschließlich aus Eiskristallen besteht.

Über den Info-Button lassen sich weiterführende Informationen aufrufen.

3. Konvektive Wolkenbildung

Mal ist der Himmel den lieben langen Tag mit kleinen, weißen Quellwolken verziert. Ein andermal wachsen die kleinen Wattebäuschchen innerhalb kurzer Zeit zu riesigen Wolkentürmen, die ein Gewitter ankündigen. Wie kommt es zu solch unterschiedlichen Entwicklungen? Dies kann man in der interaktiven Simulation zur konvektiven Wolkenbildung herausfinden. Mithilfe der Schaltflächen lässt sich zwischen verschiedenen Temperaturschichtungen der Atmosphäre wählen: stabil, labil oder stark labil.

4. Advektive Wolkenbildung

Die sogenannte advektive Wolkenbildung ist mit großräumigen Wettergeschehen verbunden: Die Wolkendecken können ganz Deutschland oder gar Mitteleuropa bedecken. Typisch dafür ist etwa der Durchzug eines Tiefs. Das damit verbundene Wetter und die typischen Wolkenformationen lassen sich in Form einer interaktiven Animation erkunden. Über den Info-Button erhält man ausführliche Hintergrundsinformationen.

5. Wolkenlabor

Das Wolkenlabor lädt zum Forschen ein: Hier können eigene Wolken erzeugt werden! Experimentiert werden kann unter Laborbedingungen oder in der Atmosphäre. Hilfreiche Tipps lassen sich jederzeit durch einen Klick auf die Info-Schaltflächen aufrufen.

Detailansicht der Simulation: Luftpaket im Wolkenlabor

In diesem Beispiel ergeben sich folgende Werte für das Luftpaket: ein Luftdruck von 555 hPa, eine Temperatur von 24,3 °C und eine relative Feuchte von 80,43%.

Experimentieren im Labor

Was passiert, wenn man Wassergehalt, Temperatur und Umgebungsdruck eines Luftpakets ändert? Hier im Labor kann dies studiert werden: Es lässt sich simulieren, wie mit steigendem Wassergehalt die relative Feuchte zunimmt und schließlich das Maximum von 100% erreicht. Fügt man mehr Wasser hinzu, bildet sich Nebel.

Auch die Temperatur bestimmt, wie viel Wasser die Luft aufnehmen kann. Bei höheren Temperaturen kann man viel Wasser ins Luftpaket packen; kühlt man es ab, dann bildet sich Nebel. Ein Effekt, den wir von der heißen Dusche im kalten Badezimmer her kennen.

Und noch ein Effekt lässt sich studieren: Bei Absenkung des Luftdrucks dehnt sich das Luftpaket aus und kühlt ab. Genau das passiert, wenn ein Luftpaket in der Atmosphäre aufsteigt.

Justiert werden die Parameter Wassergehalt, Luftdruck und Temperatur über die Schieberegler.

Experimentieren in der Atmosphäre

In dieser Simulation steht die Frage im Vordergrund: Wie verhält sich ein Luftpaket in der Atmosphäre? Wie reagieren Temperatur und Feuchte, wenn man den Luftwürfel nach oben bugsiert? Oder was passiert, wenn man das Luftpaket ähnlich einem Heißluftballon dem freien Spiel von Auf- und Abtrieb überlässt? Je nach Voreinstellungen kann man hier "live" zusehen, wie in einem durchsichtigen Luftwürfel "Wolken" entstehen.

Detailansicht der Simulation: Luftpaket in der Atmosphäre

Das Herzstück der Simulation ist ein Luftpaket, das gleich einem Ballon in einer beliebigen Höhe in der Atmosphäre frei entlassen werden kann. Gesteuert wird das Paket über die Pfeile (im Screenshot gelb markiert).

Zum einen bietet sich in der Simulation ein freies Experimentieren mit den Temperaturen in den Luftschichten an. Zum anderen kann man ein Szenario wählen und die Voreinstellungen für unterschiedliche Wettersituationen laden. Folgenden Szenarien stehen dabei zur Wahl: Sommertag mit Gewitterwolkenbildung, Bodennebel im Herbst, Inversionswetterlage im Winter (Tal oder Berg), Warmfront, stabile bzw. labile Schichtung der Atmosphäre.

Das Luftpaket kann durch Anfassen eines Pfeils an der Halterung in die gewünschte Höhe geschoben und dann freigelassen werden. Ob und wie schnell das Luftpaket sinkt oder steigt, wird durch einen veränderlichen roten Pfeil angezeigt.

Man kann auch während der laufenden Simulation alle Parameter variieren. Entsprechend der neuen Vorgaben ändert sich dann die Bewegung des Luftpakets.

Physikalisch gesehen wird hier berechnet, welchen Auftrieb oder Abtrieb das Luftpaket in der vorgegebenen Atmosphäre hat und die dazugehörige Bewegung eingeleitet. Da sich bei einer Luftdruckänderung auch die Temperatur des Pakets ändert, kann hier bei "richtiger" Wahl der Parameter die Wolkenbildung in den Atmosphärenschichten simuliert werden. Hilfreich sind hierfür auch die vorgegebenen Szenarien.

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