Wärmelehre Die Wärmeströmung
Von: Christian Döllinger
Stand: 16.06.2021 |Bildnachweis
Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:
- In welcher Art von Stoffen kann sich Wärme durch Wärmeströmung ausbreiten?
- Wie kommt die Strömung in dem Glasrohr, das im Versuch zu sehen ist, zustande?
- Warum sind die Temperaturschwankungen innerhalb eines Tages an einem großen Gewässer kleiner als auf dem benachbarten Festland?
Weiter unten findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.
Die Wärmeausbreitung durch Wärmeströmung ist auf Flüssigkeiten und Gase beschränkt. In diesen Stoffen ist sie eine äußerst effektive Form des Energietransports durch Wärme, weil mit ihr große Wärmemengen transportiert werden können.
Die Kugelform der Erde hat zur Folge, dass die verschiedenen Regionen auf der Erde unterschiedlich große Energiemengen durch die Sonnenstrahlung erhalten: Die niederen Breiten um den Äquator empfangen im Jahresdurchschnitt etwa sechsmal soviel Energie durch die Sonne wie die Polargebiete. Ohne ausgleichende Mechanismen wäre der Temperaturunterschied zwischen den niederen und den hohen Breiten mit ca. 35°C zu -50°C wesentlich größer als der tatsächliche Unterschied im Jahresmittel (26°C in den Tropen und etwa -20°C in den Polarregionen).
Diese Begrenzung der Temperaturunterschiede ist in erster Linie auf den Wärmetransport von den tropischen zu den polaren Regionen in Form von Wärmeströmung zurückzuführen. Daran ist sowohl die Atmosphäre - also die Luft - als auch das Wasser in den Meeren beteiligt:
In den Tropen steigt die vom Boden aufgrund der starken Sonneneinstrahlung erwärmte Luft auf. Die warme Tropenluft strömt in Richtung der Pole. Durch die Erdrehung wird dieser Transport von Wärme durch die Atmosphäre stark beeinflusst und geht in 3 Etappen vor sich. In den mittleren Breiten sorgen die Tiefdruckgebiete für den Zustrom warmer Luft in Richtug der Pole und kalter Polarluft in entgegengesetzter Richtung - also nicht auf das schlechte Tiefdruckwetter schimpfen, es ist Voraussetzung für die moderaten Temperaturunterschiede auf der Erde.
In etwa denselben Anteil am Wärmetransport zwischen den niederen und den hohen Breiten haben Meeresströmungen, wobei in unseren Breiten der Nordatlantikstrom - auch als Golfstrom bezeichnet - die Hauptrolle spielt:
Im Golf von Mexiko wird das Meerwasser durch die starke Sonneneinstrahlung erwärmt. Das warme Golfwasser strömt in einer Breite von ca. 50 km an der amerkanischen Ostküste entlang Richtung Norden und wird im weiteren Verlauf durch die Erddrehung nach Nordosten in Richtung Island und Südgrönland abgelenkt. Auf seinem Weg verdunstet ein Teil des Wassers. Das im Meer gelöste Salz dagegen bleibt im Wasser zurück. Durch den steigenden Salzgehalt nimmt die Dichte des Wassers zu, außerdem kühlt es sich auf seinem Weg Richtung Europa ab.
Auf der Höhe von Südgrönland hat die Dichte des Golfwassers soweit zugenommen, dass sie gößer als die des Nordatlantiks in dieser Region ist. Dort sinkt daher das nun "schwerere" Golfwasser wie in einem Wasserfall bis in eine Tiefe von 3.000 m ab und strömt als kaltes Tiefenwasser zurück in die tropischen Regionen (und weiter bis zur Antarktis). Dieses Absinken des Golfwassers wirkt wie eine Pumpe, mit der weiteres warmes Wasser aus der Golfregion nach Europa strömt und den Wärmetransport von den Tropen in die hohen Breiten aufrecht erhält. Der Golfstrom sorgt in Nordwesteuropa für Temperaturen, die um bis zu 6°C höher liegen als in Regionen gleicher geographischer Breite, die nicht in den Genuss einer derartigen konstenlosen "Warmwasserheizung" kommen.
Segelflieger und Gleitschirmflieger sind bei der Ausübung ihrer Freizeitbeschäftigung auf Aufwinde angewiesen. Thermische Aufwinde entstehen bei starker Sonneneinstrahlung über Bodenflächen, die sich besonders stark erwärmen, wie z. B. über hellen Sand- oder Gesteinsflächen im felsigen Gebirge oder über abgeernteten Feldern. Über Wasser-, Wald und Wiesenflächen dagegen treten keine thermischen Auwinde auf, dort sinkt die Luft ab.
Die erhitzten Bodenflächen übertragen Wärme durch Wärmeleitung an die am Boden aufliegende Luftschicht. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Luft ist diese Erwärmung auf eine flache Luftschicht von höchsten 1 m Höhe begrenzt. Infolge der Erwärmung dehnt sich die bodennahe Luftschicht aus, ihre Dichte wird kleiner als die der von der Erwärmung nicht erfassten Schicht. Daher erfährt sie eine Auftriebskraft und steigt nach oben.
Wegen ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit gibt sie so gut wie keine Wärme an die umliegenden Luftschichten ab. Dennoch kühlt sie sich bei ihrem Anstieg ab: Mit zunehmender Höhe nimmt der Druck ab und die Luft dehnt sich aus. Die Arbeit, die sie dabei leisten muss, wird aus ihrem Vorrat an thermischer Energie bestritten, d. h. die Luft kühlt sich während ihres Aufstiegs ab und wird dadurch "schwerer". In einer bestimmten Höhe hat sie dieselbe Temperatur wie die dort lagernde Luft und damit ihren Gipfelpunkt erreicht; sie kann nicht mehr weiter steigen, da die Auftriebskraft fehlt.
Den aufwärts gerichteten Luftstrom in den thermischen Aufwinden können Segel- und Gleitschirmflieger für eine Steigbewegung nutzen.
Bei einem durch große Schwüle, also hoher Luftfeuchtigkeit, geprägten Sommertag enthält die durch Thermik aufsteigende Luft sehr viel Wasserdampf. Durch die mit dem Aufsteigen verbundene Abkühlung wird in einer bestimmten Höhe der Taupunkt erreicht, die Luft kann den überschüssigen Wasserdampf nicht mehr halten, der Wasserdampf kondensiert und es bilden sich Wolken.
Bei der Kondensation des Wasserdampfes wird sehr viel Wärme, die als verborgene oder latente Wärme im gasförmigen Wasserdampf gespeichert war, frei. Dieser Wärmenachschub führt dazu, dass die Aufwärtsbewegung der Luft unter ständiger Kondensation weitergeht. Die Wolke wird immer mächtiger, bis die Luft schließlich an der Grenze zur Stratosphäre in etwa 12 km Höhe angelangt ist. In dieser Höhe ist es so kalt (ca. -50°C), dass der Wasserdampf direkt in Eiskristalle umgewandelt wird. Die Aufwärtsbewegung der Luft kommt dort zum Stillstand, da die Lufttemperatur in der Stratosphäre höher liegt.
Die Wolke erstreckt sich dann schließlich von etwa 3.000 m Höhe (Beginn der Kondensation des Wasserdampfes) bis in 12 km Höhe. Die zunächst in der Luft schwebenden Eiskristalle wachsen durch Zusammenlagerung an und fallen schließlich nach unten in Regionen, wo Eiskristalle und Wassertröpfchen nebeneinander existieren. Auf Kosten der Wassertröpfchen wachsen sie weiter an, werden durch Aufwinde wieder nach oben gerissen, bis sie schließlich so schwer geworden sind, dass sie endgültig nach unten zur Erdoberfläche fallen. Bei ihrer Fallbewegung tauen sie auf und treffen als große Regentropfen auf die Erde.
Frage
In welcher Art von Stoffen kann sich Wärme durch Wärmeströmung ausbreiten?
Antwort
Die Wärmeausbreitung durch Wärmeströmung ist nur in Flüssigkeiten und Gasen möglich.
Frage
Wie kommt die Strömung in dem Glasrohr, das im Versuch zu sehen ist, zustande?
Antwort
Durch die Wärmezufuhr an der Erwärmungsstelle vergrößert sich die Temperatur des Wassers an der Erwärmungsstelle. Es dehnt sich aus, seine Dichte verringert sich. Durch den Auftrieb steigt das erwärmte Wasser nach oben. An die Erwärmungsstelle strömt kälteres Wasser nach und ersetzt das nach oben gestiegene Wasser.
Frage
Warum sind die Temperaturschwankungen innerhalb eines Tages an einem großen Gewässer kleiner als auf dem benachbarten Festland?
Antwort
Verantwortlich dafür ist die im Vergleich zum festen Boden jeglicher Beschaffenheit wesentlich größere spezifische Wärmekapazität des Wassers. Dadurch erwärmt sich das Wasser bei Sonneneinstrahlung langsamer und weniger stark als das Festland. Umgekehrt verringert sich bei gleicher nächtlicher Wärmeabgabe die Wassertemperatur weit weniger als die des festen Bodens.