11. – 13. Schuljahr

Stefan Heusler und Daniel Laumann

Himmlische Physik

Wolkenbilder als Ausgangspunkt für die digitale Modellierung von Strukturbildungsprozessen

Federwolken, Schleierwolken, Schäfchenwolken, Haufenwolken, Wolkenbänder, Wolkenrollen Wolken sind so unterschiedlich in ihrer Form und Farbe, in ihrer Geschwindigkeit, ihrer Wandelbarkeit und Flüchtigkeit. Ihre Gestalt ist ein Zusammenspiel aus einer Vielzahl von Faktoren. Manches lässt sich durch Modelle zur Strukturbildung gut veranschaulichen.
Zum fachlichen Verstehen dieser Strukturbildungsprozesse benötigt man unter anderem Kenntnisse über Wärmeleitung und Konvektion in Gasen (zu Vorkenntnissen und Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler s. Kasten 4).
Was wissen Schülerinnen und Schüler über Wolkenentstehung und Wolkenfarbe?
Was wissen Schülerinnen und Schüler über Wolkenentstehung und Wolkenfarbe?
Bekanntheit und Hintergrund des Phänomens
Warum erscheinen manche Wolken heller und manche Wolken dunkler? Hierauf antworteten über 60 Schülerinnen und Schüler der 5. – 9. Klasse eines Gymnasiums. Die physikalischen Erklärungen hierfür sind nicht allzu komplex 1), entscheidend sind vor allem die Durch- und Beleuchtung der Wolke durch die Sonne und der Blickwinkel, unter dem wir auf die Wolke schauen. Die optische Durchlässigkeit der Wolke hängt außerdem von der Größe der Wassertröpfchen ab.
Das Phänomen der unterschiedlichen Wolkenfarbe kennen knapp 90% der Befragten. Weniger als 20% glauben, die richtige Erklärung für die Farbe zu kennen und 40 % die Gründe für die Entstehung von Wolken und Regen. (Diese Selbsteinschätzungen sind allerdings selten zutreffend.) 2)
Entstehung von Wolken
Über 90 % der Lernenden beschreiben wesentliche Aspekte der Wolkenentstehung durch die Verdunstung von Wasser nah am Erdboden und den aufsteigenden Wasserdampf. Dabei unterscheiden sie allerdings nicht zwischen Wasserdampf und Wassertropfen. Der Prozess der Abkühlung und der Kondensation der Wassermoleküle in Tropfenform wird lediglich von 10 % der Befragten genannt.
Entstehung von Regen und Farbe der Wolken
60 % der Schülerinnen und Schüler beschreiben Wolken und Wasser als getrennt. Die Wolke scheint in ihrer Vorstellung eine Art Schwamm darzustellen, der sich mit Wasser vollsaugen kann und abregnet, wenn seine Aufnahmekapazität überschritten ist.
Dieses Konzept findet sich in allen Altersstufen; Abbildung 6 zeigt Beispiele. Eine abregnende Wolke unterscheidet sich in dieser Argumentation nicht durch die Größe der Tröpfchen von einer nicht-abregnenden, sondern durch die Anzahl der Tröpfchen, die sie bereits aufgenommen hat.
Die Lernenden begründeten dazu beispielsweise:
  • „Wolken nehmen Wasserdampf auf. Je mehr Wasser sich in den Wolken sammelt, desto dunkler werden sie. Irgendwann werden sie zu schwer, lassen das Wasser fallen, werden wieder weiß und es regnet. (7. Klasse)
  • „Die weißen Wolken sind weiß und leichter, weil sie fast keine Regentropfen in sich tragen. Die schwarzen Wolken [] [tragen] ganz viele Regentropfen [] und sind deshalb auch sehr schwer. (8. Klasse)
  • „In den grauen ist mehr Regen drin. (9.Klasse)
Weitere Begründungen für eine dunkle Färbung (jeweils ca. 10%) waren ein zu hoher Druck, Luft- und Wolkenverschmutzung und auch die Geometrie der Sonneneinstrahlung (s. Abb. 7).
In diesem Artikel konzentrieren wir uns vor allem auf diesen Aspekt bei der Strukturbildung bei Wolken. Die wichtigsten Grundlagen hierzu sind im Kasten 1 zusammengestellt.
Wärmeleitung und Konvektion
Wärmeleitung und Konvektion
Beim Wärmetransport in der Luft spielen zwei konkurrierende Prozesse eine Rolle: Zum einen die hemmende Wirkung von Reibung, die bei der Bewegung von Luftteilchen auftritt. Zum anderen die antreibende Wirkung des Auftriebs, da die untere Luftschicht bei höherer Temperatur eine niedrigere Dichte hat. Konvektion durch Auftrieb im Schwerefeld der Erde kann also nur entstehen, wenn die untere Luftschicht wärmer ist als die obere....

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