Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Im Schlepptau – wie Regen entsteht

29.09.2017

Forscher vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation zeigen erstmalig in einem Modellsystem wie fallende Regentropfen kleinere Regentropfen nach sich ziehen

Die Ursache von abrupten Regengüssen ist für Wissenschaftler, die die Atmosphäre untersuchen, nach wie vor ein Rätsel, unter anderem auch, weil echte Wolken für aufwändige Laborexperimente zu kompliziert sind.


Wolken können sehr unterschiedliche Eigenschaften haben - nicht aus jeder Wolke fällt Regen. Tully Beg, Renvyle, Irland

(c) 2017 C. Hoffrogge

Ein Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen hat in einer nur wenige Zentimeter großen Zelle unter Hochdruckbedingungen eine künstliche Atmosphäre erzeugt, um darin die Entstehung und Dynamik von Wolken sowie die Erzeugung von Regen zu untersuchen.

Sie fanden heraus, dass ein kalter Tropfen, der durch ihre Modellatmosphäre fällt, in seinem Gefolge einen Strom von Mikrotröpfchen erzeugt und nach sich zieht. In echten Wolken könnten solche Tropfen bzw. Hagelkörner neue Mikrotröpfchen generieren und somit die Regenmenge und Regenintensität entscheidend beeinflussen. Diesen Vorgang zu untersuchen ist wichtig, um die Entwicklung von Wolken zu verstehen und die Regenwahrscheinlichkeit besser vorhersagen zu können.

Kontrolliert: „Wolkenimpfung“

Aufgrund vieler miteinander wirkender Elemente ist es sehr schwierig, Wetter, Wolken und Regen im Computer zu simulieren oder in kontrollierten Laborexperimenten zu untersuchen. Wolken- und Regenforscher haben sich daher weitgehend auf Feldmessungen und Feldexperimente verlassen. Beispielsweise wurden in den 50er Jahren Experimente gemacht, bei denen Trockeneisgranulate in Wolken fallen gelassen wurden, um Ströme von Regen zu erzeugen.

Bei diesen Untersuchungen können entscheidende Parameter allerdings nicht gezielt variiert werden, um deren Einfluss zu benennen. Die Erklärung wie und warum diese „Wolkenimpfung“ Regen erzeugt, blieb bisher offen. Einem Team um Eberhard Bodenschatz vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen ist es jetzt erstmalig gelungen, Wolken und Regen in einer nur wenige Zentimeter großer Hochdruckzelle zu erzeugen.

Um die Erdatmosphäre erfolgreich nachzuahmen benutzten die Göttinger Forscher eine Mischung aus Schwefelhexafluorid (SF6) und Helium (He), welches sie zwischen zwei horizontale Platten mit etwa 2 cm Abstand füllten. Über Spiegel konnte die Strömung in der Zelle von der Seite beobachtet werden. In diesem System spielte das SF6 die Rolle des atmosphärischen Wassers, welches je nach Temperatur und Druck entweder flüssig oder gasförmig ist. Das Helium spielte die Rolle der anderen Gase in der Atmosphäre, wie Stickstoff und Sauerstoff.

Nachgebaute Atmosphäre

Die Forscher erhitzten die untere Platte, die obere Platte kühlten sie. „Wir regeln den Druck so, dass SF6 sowohl als Flüssigkeit als auch als Gas vorkommt. Flüssiges SF6 sammelt sich an der unteren warmen Platte und bildet eine Schicht, ähnlich einer Wasserfläche auf der Erde. Darüber bildete sich eine gasförmigen Schicht aus He und SF6. In dieser Konfiguration simuliert das Experiment ein Meer oder See, von dem stetig Wasser verdampft und nach oben in kühlere Bereiche steigt.“, erläutert Prasanth Prabhakaran die Idee. Im Experiment kondensierte das aufsteigende SF6 an der kalten oberen Platte und regnete als kalte Tropfen wieder ab.

Freier Fall mit Gefolge

Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera konnten die Forscher die fallenden Tropfen auf ihrem Weg durch die wärmere Gas-Schicht verfolgen. Sie beobachteten dabei, dass sich hinter den großen Tropfen viele neue kleine Mikrotröpfchen bildeten. Diese Tröpfchen entstehen, so erklären die Forscher, weil der kalte Tropfen beim Fallen die mit SF6 gesättigte Atmosphäre lokal leicht abkühlt, was zu einer Übersättigung führt und somit flüssiges SF6 als kleine Mikrotröpfchen auskondensiert. Ihre Hypothese unterstützt das Team mit thermodynamischen Berechnungen.

Die Forscher vermuten, dass ein ähnlicher Mechanismus bei der Bildung von Wolken und Regen eine wichtige Rolle spielt. Für Bedingungen, wie sie in der Atmosphäre vorkommen, rechneten sie aus, dass sich vor allem bei sehr großen Regentropfen und Hagelkörnern kleine Mikrotröpfchen in ihrem Nachlauf bilden können.

Dies wiederum hätte entscheidende Auswirkung auf die Wolkendynamik und somit auf die Niederschlagsintensität. Hierfür ist ihrer Meinung nach weitere Forschung notwendig, da die Atmosphäre mit ihren turbulenten Bewegungen und starken Winden komplexer ist als das Laborsystem. Denn auch Staub und andere Partikel spielen bei der Tröpfchen-Bildung in der Atmosphäre eine Schlüsselrolle, während die Tröpfchen in den Experimenten hiervon nicht beeinflusst wurden.

Wolken im Labor

In einer Variation des Experiments wurde die Menge an SF6 so verringert, dass es zwar an der oberen Platte kondensiert, sich jedoch an der unteren warmen Platte keine flüssige Schicht ausbildet. In diesem Fall war der Temperaturgradient in der Gasschicht größer und die erzeugten Mikrotröpfchen formten eine stabile horizontale Schicht, ähnlich einer Wolke. Oberhalb dieser Schicht bildeten sich die Mikrotröpfchen, da hier die Atmosphäre kälter und mit „Feuchtigkeit“ übersättigt war. Darunter war die Atmosphäre wärmer und untersättigt, so dass die Mikrotröpfchen verdampften.

Für Eberhard Bodenschatz liefert die Arbeit "ein klares Beispiel dafür, wie uns Laborversuche von idealisierten Problemen helfen können, atmosphärische Prozesse besser zu verstehen. So können wir zukünftig die Dynamik und Selbstorganisation bei der Wolkenbildung genauer nachvollziehen.“

Weitere Informationen:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.128701 Original-Publikation

Carolin Hoffrogge | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Simulierte Synapsen - TU-Forscher berechnen das neuronale Netz des Gehirns
24.06.2019 | Technische Universität Darmstadt

nachricht Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019
24.06.2019 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

17. Internationale Conference on Carbon Dioxide Utilization in Aachen

25.06.2019 | Veranstaltungen

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungen

Plastik: Mehr Kreislauf gegen die Krise gefordert

21.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Clever Chillen mit weniger Kältemittel: Neue Blue e Chiller von 11 bis 25 kW

25.06.2019 | Energie und Elektrotechnik

Neuer Therapieansatz fördert die Reparatur von Blutgefässen nach einem Hirnschlag

25.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neue Herangehensweise bei sich selbstmontierenden Mikromaschinen

25.06.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics