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Warum kühlt ein Ventilator?

So langsam werden die Tage wieder wärmer und der Ein oder Andere macht sich schon wieder Sorgen im Sommer in einem heißen Raum zu sitzen ohne sich zwischendurch abkühlen zu können. Ein einfacher Ventilator kommt da oft gelegen um sich etwas kühle Luft zuwehen zu lassen. Aber warum kühlt ein Ventilator überhaupt? Schließlich enthält er keinerlei tatsächlich kühlende Komponenten.

In der Tat ändert ein Ventilator erst einmal rein gar nichts an der Temperatur der Luft, die sich beispielsweise in einem Raum befindet. Er bringt sie lediglich in Bewegung. Diese Bewegung führt zu einem schnelleren Luftaustausch an der Stelle, wo der Ventilator hin bläst – zum Beispiel unsere Haut. Ist die Umgebungsluft kühler als unsere Haut, so wird durch den Luftaustausch der kühlende Effekt der Luft verstärkt. Die von der Haut aufgewärmte Luft wird weggeblasen und neue kühle Luft kann zur Haut hin gelangen. Ist die Umgebungsluft allerdings schon wärmer als die Hauttemperatur, so fällt dieser Effekt weg. Ein Ventilator ist trotzdem noch in der Lage eine kühlende Wirkung hervorzurufen, aber wie geht das?

Der Luftaustausch hat auch noch einen anderen Effekt. Wenn wir schwitzen verdunstet der Schweiß auf der Haut. Für diese Verdunstung wird Energie benötigt. Diese Energie zieht der Schweiß in Form von Wärme aus der Haut. Das Resultat ist, die Haut kühlt sich ab. Schweiß verdunstet aber nur solange die Luft direkt in Hautnähe nicht zu feucht ist. Sie kann nämlich nur eine gewisse Menge an Feuchtigkeit (hier verdunstender Schweiß) aufnehmen. Durch den Luftaustausch wird immer frische, trockenere Luft zur Haut hin transportiert. Das heißt durch den Ventilator wird der natürliche Kühlmechanismus des Menschen verstärkt. Somit kann dieser auch bei Temperaturen oberhalb unserer Hauttemperatur für eine angenehme Kühlung sorgen.

Natürlich funktioniert das Ganze nur bis zu einer bestimmten Lufttemperatur. Wer in einer Sauna schon einmal einem Luftzug ausgesetzt war, zum Beispiel durch ein wedelndes Handtuch, der weiß, dass der Effekt hier umgekehrt wird und der Luftaustausch hier eine erhitzende Wirkung hat. Zu viele Ventilatoren im Dauerbetrieb sind übrigens auch nicht gut, da der Motor eines Ventilators Wärme abgibt und somit die Raumluft sogar aufwärmen kann. Sobald man die Ventilatoren dann ausschaltet ist es wärmer also vorher ohne Ventilatoren.

Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Wie entsteht ein Tornado?

Viele von euch haben es wahrscheinlich mitbekommen: Am Donnerstagnachmittag gab es in der Nähe von Würzburg einen  Tornado, der erhebliche Sachschäden anrichtete. Normalerweise kennt man Tornados nur aus Filmen oder Dokumentationen aus Amerika. Aber auch in Deutschland können die gefährlichen Wirbelstürme entstehen. Doch wie genau entsteht so ein Tornado?

Grundsätzlich müssen dafür zwei Luftmassen aufeinander treffen, die sich stark unterscheiden. Die Eine ist sehr feucht, warm und in Bodennähe, wohingegen die Andere deutlich kälter und in höheren Lagen sein muss. Da kalte Luft schwerer ist als warme, entsteht eine Verwirbelung der Luft. Die warme Luft steigt auf, während die kalte Luft nach unten fällt. Dieser Wirbel, der zur Bildung einer Gewitterwolke führt ist aber erst einmal horizontal ausgerichtet. Damit der für einen Tornado ausschlaggebende vertikale Wirbel entstehen kann, benötigt es zusätzlich einen starken Seitenwind, der in der Lage ist den horizontalen Wirbel aufzurichten. Der Wirbel, der sich nun in die vertikale gedreht hat, bildet in seinem Inneren einen Unterdruck, der weitere warme Luft aus Bodennähe ansaugt. Durch diesen Effekt verstärkt sich der Wirbel. Er wird immer schneller und breitet sich in Richtung Boden aus. Erst wenn der Fuß des Wirbels den Erdboden erreicht hat spricht man von einem Tornado. Durch den beschriebenen Effekt der Verstärkung können in einem Tornado Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 Km/h entstehen. Die extrem hohen Windgeschwindigkeiten und der starke Unterdruck im Inneren des Tornados sorgen für die zerstörerische Kraft des Wirbelsturms. Tornados werden auf einer Skala von 0-6 in ihrer Stärke eingeordnet. Da die tatsächlichen Windgeschwindigkeiten nur schwer zu messen sind, beruhen die Kategorien auf dem Ausmaß der Zerstörung des Sturms. Sie reichen von 0 mit abgebrochenen Ästen bis hin zur totalen Zerstörung selbst massiver Stahlbetonbauten in der Kategorie 6. Ein Tornado dieser Stärke wurde allerdings noch nie in der Natur beobachtet.

Der Tornado vom Donnerstag wird wohl in die Kategorie 1 -2 einzuordnen sein. Einige Dächer wurden teilweise abgedeckt und größere Hallen wurden zum Einsturz gebracht. Glücklicherweise wurde bei diesem Sturm aber niemand verletzt.

Quellen:

http://www.sturmwetter.de/texte/tornadoentstehung.htm

http://www.br.de/nachrichten/unterfranken/inhalt/windhose-kuernach-unwetter-100.html