Die Dichte der Wolken

Wolken beginnen nicht als Wolken. Die meisten von ihnen beginnen als feuchte Luft, typischerweise durch Verdunstung aus einem großen Gewässer (z. B. dem Pazifik oder Atlantik, und das meiste davon zwischen 30 Grad nördlicher und südlicher Breite).

Jetzt ist feuchte Luft LEICHTER (weniger dicht) als normale Luft. Dies liegt daran, dass Gase gerne die gleiche Anzahl von Molen (Anzahl von Molekülen) pro Kubikmeter haben und ein H2O-Molekül weniger (viel weniger) wiegt als ein N2-, O2- oder CO2-Molekül.

So steigt die feuchte Luft auf, bis sie in höheren Lagen abkühlt und Wolken bildet. Selbst an dieser Stelle, wo die Mikrotröpfchen dichter sind als die umgebende Luft, sind sie nicht so schwer, dass sie sich ihren Weg nach unten bahnen könnten. Sie sind gefangen, ähnlich wie Sandkörner, die von einem Sandsturm erfasst werden. Irgendwann sammeln sich die Mikrotropfen jedoch zu weniger Mikrotropfen und beginnen zu fallen. Wenn sie fallen, verschmelzen sie mit anderer Feuchtigkeit und Mikrotropfen, um Regen oder andere Niederschläge zu bilden.

Um zu verstehen, wie diese Mikrotröpfchen oder Mikrokristalle so lange oben bleiben können, denken Sie an Hagelstürme. Wir wissen jetzt, dass größere Hagelkörner darauf zurückgeführt werden können, dass die anfänglichen winzigen Hagelkörner über eine Distanz fallen und dann von Aufwinden des Gewitters wieder hochgeweht werden. Die winzigen Hagelkugeln gehen auf und ab, auf und ab; und werden jedes Mal mit einer neuen Eisschicht überzogen, bis sie schließlich schwer genug sind, um die Aufwinde zu überwinden und auf die Erde zu fallen. Zu diesem Zeitpunkt können sie die Größe eines Golfballs oder sogar noch größer haben. Stellen Sie sich vor: Milliarden von Hagelkörnern, jeder so schwer wie ein Schneeball, die durch atmosphärische Bedingungen im Weltraum schweben. Nachdem man darüber nachgedacht hat, ist es nicht schwer zu glauben, dass Mikrotröpfchen dort oben bleiben können.

Die kurze Antwort ist, es ist effektiv eine kolloidale Suspension. Von Scientific American :

Bei Partikeln, die ungefähr kugelförmig sind, ist die Masse proportional zur Kubik des Radius ($r^3$); Die nach unten gerichtete Oberfläche eines solchen Partikels ist proportional zum Quadrat des Radius ($r^2$). Wenn also ein winziger Wassertropfen wächst, wird seine Masse wichtiger als seine Form, und der Tropfen fällt schneller. Selbst ein großer Tropfen mit einem Radius von 100 Mikron hat eine Fallgeschwindigkeit von nur etwa 27 Zentimetern pro Sekunde. Und weil Eiskristalle unregelmäßigere Formen haben, sind ihre Fallgeschwindigkeiten relativ kleiner.

Vertikale Aufwärtsbewegungen oder Aufwinde in der Atmosphäre tragen ebenfalls zum schwebenden Erscheinungsbild von Wolken bei, indem sie die kleinen Fallgeschwindigkeiten ihrer Bestandteile ausgleichen. Wolken bilden, überleben und wachsen im Allgemeinen in Luft, die sich nach oben bewegt.

Berechnungen der Luftdichte

Berechnungen mit Vaisala: http://go.vaisala.com/humiditycalculator/5.0/

Alle Berechnungen bei einem Druck von 1013,25 mbar Temperatur 20°C rel. Feuchtigkeit 0 %: Dichte: 1,2041 kg/m^3 100 % 1,1936 kg/m^3 Dichteunterschied: 10,5 g/m^3

Temperatur 24°C rel. Feuchtigkeit 0 %: Dichte: 1,1879 kg/m^3 100 % 1,1747 kg/m^3 Dichteunterschied: 13,2 g/m^3

Temperatur 30°C rel. Feuchtigkeit 0 %: Dichte: 1,1644 kg/m^3 100 % 1,1459 kg/m^3 Dichteunterschied: 18,5 g/m^3

Temperatur 34°C rel. Feuchtigkeit 0 %: Dichte: 1,1439 kg/m^3 100 % 1,1264 kg/m^3 Dichteunterschied: 17,5 g/m^3

Auf den ersten Blick wirken diese Unterschiede recht gering. Aber wenn man bedenkt, dass Nebel weniger als 0,3 g kondensiertes Wasser als mikrometergroße Tröpfchen enthält, ist er sehr groß. Die Menge an unsichtbarem Wasser ist in dieser Luft viel höher. Welche Wirkung hat die Temperatur? 20°C vs 24°C: bei 0% rel. summen. Dichteunterschied: 1,2041 – 1,1879 = 16,2 g/m^3 30°C vs 34°C: bei 100% rel. summen. Dichteunterschied: 1,1459 – 1,1262 = 19,7 g/m^3

Dichteunterschiede aufgrund von Feuchtigkeitsunterschieden liegen in der gleichen Größenordnung wie Temperaturunterschiede und führen zu Instabilitäten. Luftfeuchtigkeit ist insofern wichtiger, als Kondensation während des Aufsteigens eine höhere Lufttemperatur freisetzt.

Strömungsmechanik: Dichteunterschiede verursachen Druckunterschiede. Diese verursachen eine Flüssigkeitsbewegung. Navier – Stokes – Gleichungen beschäftigen sich nicht mit „potenziellen Temperaturen“ …

Das Gravitationsgesetz besagt, dass die auf einen Körper ausgeübte Gravitationskraft mit seiner Masse korreliert. Wolken sind Gruppen von sehr kleinen Wasser-/Eispartikeln, daher fallen sie, aber ihre Fallgeschwindigkeit (auch bekannt als Endgeschwindigkeit) ist viel geringer, damit man sie sehen kann. Auch einige atmosphärische Phänomene wie Luftströme, Druckunterschiede, tiefe Konvektion beeinflussen die Endgeschwindigkeit.