Wärmelehre

Wärmetransport

Konvektion in der Natur

  • Warum werden Häuser mit Schaumstoffen gedämmt?
  • Wie bleiben Tiere im Winter warm?
  • Wie kommt eigentlich die Wärme der Sonne zur Erde?

Konvektion in der Natur

In der Natur spielen groß- und kleinräumige Konvektionsprozesse eine wichtige Rolle. Im Folgenden werden nur einige kurz herausgegriffen. Für weitergehende Informationen sind Links angegeben.

Wind zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten

Konvektion bei Hoch- und Tiefdruck-Gebieten und Wind zwischen den Gebieten
Abb.
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Lufttransport bei Tiefdruck- und Hochdruckgebieten

Aufgrund der ungleichen Oberflächenbeschaffenheit der Erde kann es bei gleichartiger Sonneneinstrahlung zu örtlich verschiedenartigen Erwärmungen der Erd- bzw. Meeresoberfläche kommen. In einem Gebiet starker Erwärmung steigt die spezifisch leichtere Luft nach oben (links im Bild). Da die kältere Luft der Umgebung verzögert nachströmt, entsteht am Boden ein Gebiet mit geringerem Luftdruck (Tiefdruckgebiet T). Die warme und meist feuchte nach oben steigende Luft kühlt sich dabei ab, es kommt zur Kondensation des Wasserdampfes und damit zur Wolkenbildung.
In der Höhe strömt die nun abgekühlte Luft in eine Gegend, mit niedrigerem Druck. Dies ist dort der Fall, wo sich die Bodenluft weg in ein Tiefdruckgebiet bewegt hat (rechts im Bild). Die kühle absinkende Luft erwärmt sich und führt zu einem höheren Luftdruck als in der Umgebung. Es entsteht am Boden ein Gebiet höheren Drucks (Hochdruckgebiet H).
Am Boden weht der Wind vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet. Die Drehung der Erde und die Reibung der Luftströmung führen dazu, dass die Winde auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn aus dem Hoch herauswehen und im Gegenuhrzeigersinn auf das Zentrum des Tiefs zuströmen.
Hinweis:

  • Die durch die Erddrehung bedingte Kraft auf die Luftmassen heißt Corioliskraft, sie wird erst in einer höheren Klassenstufe näher behandelt.
Entstehung von Seewind an Küsten oder großen Seen

Land- und Seewind

Über dem Land wird die Luft tagsüber stärker erwärmt als über dem Wasser. Sie steigt auf, es entsteht ein kleines lokales Tiefdruckgebiet. Die über dem Meer befindliche kühlere Luft strömt nach, es kommt zum Seewind.

Entstehung von Landwind an Küsten oder großen Seen

Nach dem Sonnenuntergang kühlt das Land aufgrund der geringeren spezifischen Wärmekapazität schneller ab als das Meer (bzw. der See). Über dem nun relativ warmen Meer steigt die Luft auf, es bildet sich ein kleines lokales Tiefdruckgebiet. Die kältere Luft über dem Land strömt in die Zone tieferen Drucks, also vom Land zum Meer. Es kommt zum Landwind.

Hinweis: Weitere Informationen hierzu findest du in der Wikipedia unter http://de.wikipedia.org/wiki/Land-See-Windsystem.

Golfstrom

Golfstrom mit Temperaturverlauf
Abb.
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Golfstrom mit farblich markiertem Temperaturverlauf von rot für warm zu blau für kalt (Landmassen mit farblich markiertem Höhenverlauf von blau für niedrig zu rot für hoch).

Neben Luftströmungen spielen Wasserströmungen in der Natur eine wichtige Rolle. Sehr bekannt ist der sogenannte Golf-Strom, der Teil eines weltweiten Strömungssystems ist. Der Golfstrom, der oft auch als Warmwasserheizung Mittel- und Nordeuropas bezeichnet wird, ist dafür verantwortlich, dass an den Küsten Nordeuropas im Vergleich zu Gebieten gleicher geographischer Breite ein verhältnismäßig mildes Klima herrscht.

An der Ostküste Amerikas - in der Höhe von Florida - wird das Meerwasser oberflächlich stark aufgeheizt. Zunächst strömt das warme Wasser in einem relativ eng begrenzten Strom längs der Küste in nördliche Richtung, entfernt sich von der Küste und bewegt sich dann in Richtung Mittel- und Nordeuropa. Dabei fächert der Warmwasserstrom immer weiter auf und kühlt ab (vgl. Satellitenbild).

Das an der Oberfläche nach Nordeuropa strömende warme Salzwasser bekommt durch Verdunstung einen etwas höheren Salzgehalt. Im Norden wird es durch arktische Winde abgekühlt, ein Teil des Wasser gefriert, was dazu führt, dass das verbleibende Salzwasser einen noch höheren Salzgehalt hat. Das nun kalte sehr salzhaltige Wasser hat eine relative hohe Dichte, es sinkt in eine Tiefe bis zu 3000 m und strömt in den südlichen Ozean zurück. Man schätzt, dass der Golfstrom eine Wärmeleistung von ca. 1 Milliarde Megawatt (dies ist die Leistung von mehr als 100 000 Kernkraftwerken) besitzt.

Es besteht nun die Befürchtung, dass mit der zunehmenden Erderwärmung der Golfstrom an Intensität verliert bzw. ganz zum Erliegen kommt. Ein Grund hierfür ist das mit der Erderwärmung einhergehende Abschmelzen des Festlandeises in den nördlichen Zonen. Dieses Eis einhält kaum Salz. Wenn es abschmilzt und ins Meerwasser gelangt sinkt der Salzgehalt und damit die Dichte des Meerwassers im Norden. Damit könnte der Antriebsmotor für den Golfstrom, nämlich das Absinken des kalten, stark salzhaltigen Wassers in große Tiefen, an Kraft verlieren. Die Folgen wären gravierende Klimaveränderungen in Mittel- und Nordeuropa.

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