Zwei lustige wissenschaftliche Experimente, die T-Stürme, Konvektion und Wetterfronten erklären

BISMARCK, ND (KFYR) – Wasser und Lebensmittelfarbe sind alles, was Sie brauchen, um zu Hause einige einfache wissenschaftliche Experimente durchzuführen, die erklären, wie unsere Atmosphäre mit Fronten, Konvektion und Gewittern funktioniert! All dies ist möglich, weil die Atmosphäre eine Flüssigkeit ist – eine Mischung aus Gasen, die sich wie eine Flüssigkeit verhält. Wie bei Wasser ist der Druck am unteren Ende der Atmosphäre in Bodennähe höher als der Druck am oberen Ende der Atmosphäre. Flüssigkeiten bewegen sich als Reaktion auf Druckunterschiede und fließen immer vom hohen zum niedrigen Druck. Das ist mit Flüssigkeit genauso wie mit der Luft in unserer Atmosphäre. Daher können wir Wasser verwenden, um unsere Atmosphäre darzustellen, und unterschiedliche Temperaturen dieses Wassers, um Bewegung und Zirkulation zu erzeugen.

Das erste Experiment wird darstellen, wie Wetterfronten in 3-D aussehen und welche Rolle die Luftdichte in unserer Atmosphäre spielt.

Du brauchst ein durchsichtiges, ziemlich tiefes Backblech (oder einen durchsichtigen Vorratsbehälter), ein Glas eiskaltes Wasser mit blauer Lebensmittelfarbe und ein Glas heißes Wasser mit roter Lebensmittelfarbe. Füllen Sie die durchsichtige Schale mit lauwarmem Wasser – etwas zwischen der Temperatur Ihres kalten Eiswassers und Ihres heißen Wassers.

Machen Sie sich bereit, das kalte Wasser gleichzeitig auf eine Seite des Tabletts und das heiße Wasser auf die andere Seite des Tabletts zu gießen. Gießen Sie sie langsam ein und beobachten Sie, was passiert, wenn sich die beiden Farben in der Mitte treffen.

Wenn sich die unterschiedlichen Wassertemperaturen und ihre jeweiligen Farben in der Mitte des Tabletts treffen, werden Sie feststellen, dass das kalte Wasser unter das warme Wasser fließt. Diese geneigte Oberfläche mit dem kalten, dichten Wasser am Boden und dem heißen, weniger dichten Wasser, das nach oben und über das kältere Wasser reitet, veranschaulicht gut eine Wetterfront.

Wie im 3-D-Kaltfrontdiagramm unten gezeigt, ist eine Front eine geneigte Oberfläche, bei der die vorrückende dichte, kalte Luft die weniger dichte warme Luft unterschneidet, die höher in die Atmosphäre gedrückt wird. Diese Aufwärtsbewegung der warmen Luft ist es, die entlang dieser Fronten Wolken, Niederschlag und Gewitter bildet.

Eine Warmfront ist ähnlich, aber in ihrem Fall rückt die warme Luft vor und gleitet über die kühlere und dichtere Luft. Normalerweise ist der Niederschlag bei Warmfronten im Vergleich zu Kaltfronten gleichmäßiger und ausgedehnter, obwohl es bei Warmfronten auch zu Gewittern kommen kann.

Das Hauptkonzept, das wir aus diesem einfachen wissenschaftlichen Experiment gelernt haben, ist, dass kalte Luft dichter ist als heiße Luft (dasselbe gilt für unser kaltes und heißes Wasser) und Wetterfronten geneigte Oberflächen sind, bei denen die kalte Luft die warme Luft unterschneidet. Aus diesem Grund sehen Sie aktives Wetter und manchmal Unwetter entlang scharfer Temperaturkontraste, wo Bereiche heißer und kalter Luft aufeinander treffen.

Unser zweites einfaches wissenschaftliches Experiment wird die Konvektion in unserer Atmosphäre demonstrieren, das ist der Prozess, der Gewitter bildet.

Sie benötigen dasselbe durchsichtige Backblech, das ziemlich tief ist (oder einen durchsichtigen Vorratsbehälter), füllen es mit kühlem Wasser (aber nicht zu kalt) und stellen es auf ein paar leere Gläser. Fülle dann ein weiteres Glas bis zum Rand mit heißem Wasser auf und gib etwas rote Lebensmittelfarbe hinein. Schieben Sie dieses Glas unter das Tablett in die Mitte.

Geben Sie ein paar Tropfen blaue Lebensmittelfarbe auf beide Seiten des Tabletts mit kaltem Wasser und ein paar Tropfen rote Lebensmittelfarbe in die Mitte des Tabletts, direkt über das Glas mit heißem Wasser, das unter dem Tablett steht. Die Tropfen der Lebensmittelfarbe beginnen auf den Boden zu sinken und sich zu verteilen. Sie müssen sich bei diesem Experiment etwas gedulden, aber beobachten Sie genau, was passiert. Während das heiße Wasser im Glas unter der Mitte des Tabletts das Wasser in der Mitte des Tabletts erwärmt, beginnen das Wasser und die rote Lebensmittelfarbe an die Oberfläche zu steigen, da es wärmer und weniger dicht als die Umgebung wird. Um das aufsteigende Wasser zu ersetzen, sinken das kühlere Wasser und die blaue Lebensmittelfarbe auf den Boden des Tabletts und wandern in die Mitte. Wenn dieses kühlere Wasser in die Mitte des Tabletts gesaugt wird, wird es durch das Glas mit heißem Wasser darunter erhitzt, steigt nach oben und der Prozess geht weiter. Dies ist ein Konvektionsstrom, und er ähnelt dem Prozess, der in unserer Atmosphäre abläuft.

Unten sehen Sie eine Nahaufnahme der Lebensmittelfarbe, die vom Boden des Tabletts bis zur Oberseite des Tabletts über der Wärmequelle, dem Glas mit heißem Wasser, aufsteigt. Das Wasser und die Lebensmittelfarbe verteilen sich dann oben auf dem Tablett, was die Oberseite unserer Atmosphäre simuliert. Aufsteigende Luft bildet Wolken und Gewitter, aber diese Wolken können nur bis zu einer bestimmten Höhe wachsen, bevor die Spitze unserer Atmosphäre die Wolkenspitzen ausbreitet.

Der Konvektionsstrom in unserem Experiment hält noch eine Weile an, aber die Farben der Lebensmittelfarbe beginnen sich mit der Zeit zu vermischen. Beobachten Sie unbedingt all die coolen Dinge, die die unterschiedlichen Farben und Temperaturen des Wassers im Tablett bewirken!

Konvektion, die wir in diesem zweiten Experiment demonstriert haben, ist ein wichtiger Teil unserer atmosphärischen Prozesse, die Wolken und Niederschlag bilden. Es ist ein Prozess, der zuerst mit der Strahlung der Sonne beginnt, die den Boden erwärmt. Aber der Boden wird auf der ganzen Welt ungleichmäßig erwärmt, sodass einige Gebiete am Ende wärmer sind als andere. Der warme Boden erwärmt dann die Luft um ihn herum durch den Wärmeleitungsprozess. Und dann steigt diese wärmere, weniger dichte Luft im Konvektionsprozess auf. Wenn die warme Luft aufsteigt, trifft sie auf kühlere Schichten der Atmosphäre, die es den Wasserdampfmolekülen ermöglichen, zu Wolken zu kondensieren. Und wenn sich die Wassertröpfchen in Wolken verbinden, werden sie schwer genug, um Regentropfen zu bilden. Wenn die aufsteigende Luft oder Aufwinde stark genug sind, können sich Gewitter bilden.

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