Neugierige Kinder: Wie bleiben die Wolken am Himmel?

In der Unterhaltung werden Kinder gebeten, Fragen einzusenden, die ein Experte beantworten soll. Samson aus London will wissen, wie Wolken am Himmel bleiben. Ein Experte für Atmosphärenwissenschaften erklärt.

Danke für die Frage, Samson. Ob Sie es glauben oder nicht, ich habe einmal eine Wolke gewogen und nicht viele Leute können sagen, dass sie das getan haben! Meine Wissenschaftlerfreunde und ich flogen in einem riesigen Luftschiff in den Himmel und gingen den ganzen Weg durch eine flauschige, weiße Wolke. Eigentlich war es dort oben sehr nass, denn Wolken bestehen aus Milliarden winziger Wassertröpfchen.

Als wir durch die Wolke flogen, verwendeten wir Laser und andere spezielle wissenschaftliche Geräte, um zu messen, wie groß die Wolke war, und zu zählen, wie viele winzige Wassertröpfchen sich darin befanden. Dann haben wir ein paar Berechnungen angestellt und festgestellt, dass diese Wolke – die für eine Wolke eigentlich ziemlich klein war – vier Tonnen wog. Das ist das gleiche wie zwei Elefanten! Sie fragen sich also zu Recht, wie ein so schweres Ding am Himmel bleiben kann.

Dieses Puzzle besteht aus drei Teilen, und das erste ist die Schwerkraft. Wie alles auf diesem Planeten werden die winzigen Tröpfchen, aus denen eine Wolke besteht, durch die Schwerkraft zur Erde gezogen. Aber diese Tröpfchen sind so klein, dass es ihnen schwer fällt, an der Luft unter ihnen vorbeizustoßen. Das bedeutet, dass sie gar nicht so schnell fallen – nämlich nur etwa einen Zentimeter pro Sekunde. Und jeder Wind, der nach oben weht, kann die Tröpfchen wieder nach oben tragen.

Um in das zweite Puzzleteil zu passen, müssen wir die richtige Chemie lernen; nicht zu viel, aber gerade genug für unsere Geschichte. Lassen Sie mich das Periodensystem vorstellen: eine Karte aller Elemente, die wir Menschen kennen. Elemente sind die Bausteine aller Dinge – genau wie die kleinsten Legosteine, mit denen Sie größere und komplexere Objekte bauen.

Das Periodensystem ist so organisiert, dass das leichteste Element jeder Zeile immer links ist. Wasserstoff ist das leichteste aller Elemente, daher finden Sie es oben links. Wenn Sie sich entlang jeder Reihe von links nach rechts bewegen, werden die Elemente immer schwerer.

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Trockene Luft besteht hauptsächlich aus zwei Gasen, Stickstoff und Sauerstoff, plus ein wenig Argon und winzigen Mengen anderer Gase. Im Moment können wir uns nur auf Stickstoff und Sauerstoff konzentrieren. Wie Sie im Periodensystem sehen können, beträgt das Gewicht eines einzelnen Stickstoffatoms 14, während Sauerstoff fast 16 wiegt.

Aber weder Stickstoff– noch Sauerstoffatome sind gerne alleine, also gehen sie fast immer paarweise – zwei Atome in einem Molekül, wie zwei Erbsen in einer Schote. Aus diesem Grund wiegt ein Stickstoffmolekül normalerweise 28 und ein Sauerstoffmolekül wiegt 32.

Sobald wir der Luft Wasser (H₂O) hinzufügen, wird es interessant. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Denken Sie daran, wie Wasserstoff das leichteste Element ist? Nun, ein einzelnes Wassermolekül wiegt nur 18. Es ist also leichter als ein Molekül Stickstoff oder Sauerstoff. Deshalb ist feuchte Luft leichter als trockene Luft.

Das nächste Puzzleteil ist die Temperatur. In der Regel steigt warme Luft auf, während kalte Luft absinkt. Wenn Wasser in der Luft wärmer ist, ist es eher ein Gas. Wenn es kühler ist, bevorzugt es eine flüssige Form, wie Wolkentröpfchen, Regen, Hagel oder Schnee.

Wenn warme, feuchte Luft aufsteigt, wird es immer kühler. Und wenn es abkühlt, bilden sich mehr winzige Wassertropfen. Sie könnten erwarten, dass die Wassertropfen nur als Regen herunterfallen, aber stattdessen passiert etwas Lustiges. Sie wissen, wie Schweiß unsere Haut kühlt, wenn sie trocknet und sich von Flüssigkeit in Gas verwandelt? Nun, wenn Gas zu Flüssigkeit wird, passiert genau das Gegenteil: Es gibt tatsächlich Wärme ab.

Dies bedeutet, dass die Wolkentröpfchen jetzt von einer winzigen Decke warmer Luft umgeben sind. Und was macht warme Luft? Es steigt! Nicht sehr weit, denn die Luft wird wieder abkühlen, wenn sie steigt.

Nun ist unser Rätsel gelöst: Wolken bestehen aus winzigen Wassertröpfchen, die kaum von der Schwerkraft beeinflusst werden, eingebettet in feuchte Luft, die leichter ist als trockene Luft. Und sie sind von winzigen warmen Luftdecken umgeben, die sie in den Himmel heben. So können Milliarden Tonnen schwere Wolken am Himmel über Wasser bleiben.

Hallo, neugierige Kinder! Wenn Sie eine Frage haben, die ein Experte beantworten soll, Bitten Sie einen Erwachsenen, sie zu senden [email protected]. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Namen, Ihr Alter (und, wenn Sie möchten, in welcher Stadt Sie leben) enthalten. Alle Fragen sind willkommen – ernst, komisch oder verrückt!

Jim McQuaid, Außerordentlicher Professor für atmosphärische Zusammensetzung, Universität Leeds. Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Bild 1: windy_sydney/Flickr, CC BY-NC