Wetter-Experiment: DIY-Regen im Glas
Am letzten Freitag spät nachmittags geschah, was zur Zeit am Ende eines sonnigen Tages immer wieder vorkommt: Es wird plötzlich dunkler, die Sonne verschwindet hinter dicken Gewitterwolken. Aufkommender Wind veranlasst mich, Balkontüre und Fenster zu schliessen. Denn bald schon spülen Gewitterschauer mitsamt Blitz und Donner das Land wieder ordentlich durch.
Diesen Freitag, während ich noch unterrichtete, ging es allerdings ganz besonders schnell: Kaum war die Sonne verdunkelt, öffnete der Himmel seine Schleusen. Für den Regen. So richtig viel und mit Wind. Und ehe ich mich versah, hatten sich Wasserlachen in den Wohnzimmereingang, die Küche und das Schlafzimmer ergossen. Da konnte ich nur noch Aufnehmer und Frottee-Handtücher auswerfen, um die nasse Himmelsbotschaft einzudämmen.
Das ganze Malheur brachte mich allerdings auf eine ganz spannende Naturforscher-Frage: Wie kommt es eigentlich, dass es regnet?
Und damit ist auch gleich das Thema für die diesjährigen Sommer-Experimente in Keinsteins Kiste gefunden: Das Wetter! Rund um Wetterphänomene oder die Launen des Himmels gibt es nämlich eine Menge spannender Experimente zum Selbermachen. Und den Anfang mache ich heute mit: Regen.
Woher kommt der Regen?
Klar, aus den Wolken, werden viele von euch jetzt sagen. Denn Wolken bestehen schliesslich aus Wasser. Aber wie geht es vor sich, dass die Wolken schweben, während Flüsse, Seen und Meere brav der Schwerkraft folgend auf der Erde bleiben? Und warum fällt das Wasser schliesslich doch wieder runter und macht uns nass?
Um zu beobachten, wie Regen – im ganz einfachen Sinne – entsteht, könnt ihr ganz einfach Regen machen – in einem Glas!
Wie ihr Regen machen könnt
Ihr braucht dazu
- Ein grosses Glas, zum Beispiel ein Honig- oder Einmachglas
- Leitungswasser
- Eine bis zwei Hände voll Eiswürfel
- Eine Schale, deren Boden das Glas ganz zudeckt
- Einen Schnellkocher oder Kochtopf auf dem Herd
So macht ihr das Experiment
- Erhitzt das Wasser im Schnellkocher oder im Kochtopf auf dem Herd. Giesst das (fast) kochende Wasser in das Glas, bis es darin etwa 2cm hoch steht. Das Glas ist damit nun sehr heiss! Weist die Jungforscher darauf hin, dass sie es jetzt nicht mehr anfassen sollten!
- Stellt sogleich die Schale auf die Glasöffnung (die sollte damit so vollständig wie möglich zugedeckt – aber nicht luftdicht verschlossen! – werden) und gebt die Eiswürfel hinein.
- Lasst euch Zeit und beobachtet, was im Glas geschieht.
Praktisch: Meine Eiswürfelform aus Aluminium passt genau auf das Becherglas – so habe ich die Eiswürfel gar nicht herausgenommen, sondern die Schale einfach auf das Glas gestellt.
Was passiert dabei?
Das beinahe siedende Wasser verdampft bzw. verdunstet. Der so entstehende Wasserdampf bleibt aber im Glas gefangen, wenn die Schale auf der Öffnung steht. Das Eis kühlt dabei den Boden der Schale stark ab. So kondensiert – das heisst verflüssigt sich – das Wasser an der Unterseite der Eis-Schale. Schon bald könnt ihr an der Glaswand winzigkleine Tröpfchen erkennen, die langsam zu immer grösseren Tropfen zusammenwachsen. Irgendwann können die grösseren, schweren Tropfen sich nicht mehr halten und rinnen der Schwerkraft folgend die Glaswand hinunter und zurück in die Wasserschicht am Boden.
Und es kommt noch besser Wenn ihr Geduld habt und 10 bis 20 Minuten wartet (so lange hat es bei mir gedauert), werden auch die Tropfen, die direkt unter dem Boden der Schale heranwachsen, so schwer, dass sie nach unten tropfen: Es regnet im Glas!
Gleich fällt der nächste Regentropfen vom Boden der Eiswürfelschale!
Wie entsteht der Regen im Glas?
In flüssigem Wasser können sich die winzigen Wasserteilchen zwar frei bewegen, kleben dabei aber stets dicht beieinander. So gleiten sie aneinander vorbei ohne sich zu trennen, so wie die vielen Menschen in einem richtig dichten Gewühl. Wenn die Wasserteilchen aber mit genügend Energie ausgestattet werden, zum Beispiel, indem ihr sie mit dem Schnellkocher erwärmt, können sie sich voneinander lösen und jedes für sich frei im Raum herumflitzen: aus flüssigem Wasser wird Wasserdampf, ein Gas aus Wasserteilchen (die zum Verdampfen nötige Energie wird „Verdampfungswärme“ genannt und ist vergleichbar mit der Schmelzwärme, die ihr hier erforschen könnt).
Der Wasserdampf vermischt sich mit der Luft im Glas und verteilt sich dabei so weit wie möglich – also bis hinauf zum Boden der Eis-Schale. Der wiederum ist so kalt, dass die Wasserteilchen im Dampf ihre Wärme-Energie an die Schale abgeben. Damit büssen sie aber auch ihre freie Beweglichkeit wieder ein und müssen sich mit anderen Wasserteilchen zusammenrotten: Aus dem gasförmigen Wasserdampf wird wieder flüssiges Wasser!
Winzige, für unsere Augen unsichtbare Macken in der Oberfläche des Schalenbodens oder daran haftende Staubkörnchen machen vermutlich den Anfang, an dem sich erst wenige, dann immer mehr Wasserteilchen ansammeln. So entstehen winzige Tröpfchen, die immer grösser werden, je mehr Wasserdampf verflüssigt wird. Sobald die Tropfen zu schwer werden, um am Schalenboden zu haften, fallen sie wie Regen hinunter ins Glas.
Wo die Wärme aus dem kondensierenden Wasserdampf hingeht, könnt ihr übrigens auch beobachten: Das Eis in der Schale wird nämlich zu schmelzen beginnen!
Warum regnet es aus Wolken?
Auch Wolken bestehen aus winzigen Wassertröpfchen oder – wenn es in den hohen Luftschichten richtig kalt ist – aus Eiskristallen. Diese Tröpfchen entstehen aus Wasserdampf, der in die Lufthülle der Erde, die Atmosphäre, gelangt, wenn die Wärme der Sonne das Wasser von der Oberfläche von Meeren, Seen und Flüssen verdunsten lässt.
Damit Wasser gasförmig wird, muss es nämlich nicht kochen – auch bei niedrigerer Temperatur lösen sich immer mal einige Teilchen von der Wasseroberfläche und mischen sich unter die Luft. Das nennt man Verdunsten und nicht Verdampfen, und es dauert wesentlich länger als das Einkochen von Wasser.
So lange die Wasserteilchen sich als Dampf mit der Luft mischen oder die Flüssigkeitströpfchen winzig genug sind, um von Luftströmungen getragen zu werden, bleiben sie in der Luft, sodass wir sie von unten z.B. als Schäfchenwolken oder geschlossene Wolkendecke beobachten können. Wenn sich jedoch zu viel Wasser ansammelt und die Tröpfchen zu sehr wachsen, werden sie irgendwann zu schwer und fallen nach unten, bis sie auf die Erde treffen und uns nass machen.
Wie Regentröpfchen ihren Anfang nehmen
Darüber, wie die Entstehung von Tröpfchen überhaupt ihren Anfang nimmt, sind sich übrigens auch die Wetterforscher noch nicht ganz sicher. Aber sie vermuten, dass auch in den hohen Luftschichten reichlich Staubkörnchen schweben, an die erste Wasserteilchen sich anlagern können, sodass immer neue Teilchen dazustossen und sich anheften können, um ein immer grösseres Tröpfchen zu formen.
Regen an Hindernissen
Vielfach beobachten kann man indessen, dass das Auflaufen von Wasserdampf an Hindernissen zur Entstehung von Wolken beiträgt und so zu Regen führen kann: Wenn der Wind wasserdampfhaltige Luft oder Wolken gegen eine Bergkette schiebt, staut sich das Wasser vor diesem Hindernis. Die Wasserteilchen werden enger zusammen geschoben und so besonders leicht dazu verleitet, sich zu Regentropfen zusammenzurotten. So kommt es, dass es hier in der Schweiz häufig nur auf einer Seite der Alpen regnet: Entweder bei uns im Norden oder im Kanton Tessin im Süden – je nachdem woher der Wind weht.
Ganz extrem zeigt sich die Wirkung von hinderlichen Bergketten im Westen Nordamerikas: Hier schiebt der Wind aus dem Westen das verdunstende Wasser aus dem pazifischen Ozean gegen die Berge der Sierra Nevada, sodass gleich dort reichlich Nebel und Regen entsteht. Davon leben an der Westseite dieses Gebirges richtige Regenwälder und die grössten Bäume der Welt (die dicksten unter ihnen haben wir im Sequoia Nationalpark bestaunen dürfen). Die Luft, die schliesslich über die Berge schwappt, ist nach diesem Regen allerdings arm an Wasserteilchen, dass es daraus so gut wie gar nicht mehr regnen kann. Deshalb gibt es östlich der Sierra Nevada nur karge, trockene Wüsten – darunter das berühmt-berüchtigte Death Valley (auch das ist eine spannende Forscher-Reise wert).
Wenn es kalt ist: Schnee
Wenn es in einer Wolke sehr kalt ist, entstehen aus dem Dampf keine Flüssigkeitströpfchen, sondern feste Kristalle: Schneeflocken! Chemiker und Physiker sagen: Das Wasser resublimiert (das Sublimieren ist das Verdampfen von Feststoffen – resublimieren der umgekehrte Vorgang: Die frei fliegenden Teilchen eines Gases lagern sich zu einem regelmässigen, festen Kristall zusammen, ohne erst eine Flüssigkeit zu bilden).
Damit ein schöner sechseckiger Schneekristall entstehen kann, braucht es – wie zur Entstehung eines Wassertröpfchen – ein Staubkorn oder ähnliches, an das sich die Wasserteilchen anlagern können. Wenn die Umgebung dieses Staubkorns in alle Richtungen gleich ist, wächst der Kristall durch die Anlagerung weiterer Teilchen gleichartig in alle (6) Richtungen. Das könnt ihr euch im Winter übrigens unter einem einfachen USB-Mikroskop ansehen!
Kalt, nass und windig: Hagel
Enthält eine kalte Gewitterwolke dagegen viel Wasser und weht darin ein strammer Wind nach oben, der auch schwerere Tropfen in der Luft hält, können die Tröpfchen schnell zu festen, halbwegs runden Eiskörnern zusammenfrieren und mit jeder neuen drumherum gefrierenden Wasserschicht immer grösser werden. Wenn die dann runterfallen, heisst das für uns Deckung suchen, denn: Es hagelt! Übrigens: Erst ab einem Korndurchmesser von 5mm oder mehr ist Hagel offiziell Hagel…kleinere Körner werden Graupel genannt.
Entsorgung
Ihr habt keine gefährlichen Stoffe verwendet, also gibt es nichts besonderes zu beachten: Leitungswasser kann in den Ausguss gegeben oder besser zum Blumengiessen oder anders verwendet werden.
Ich wünsche euch viel Spass beim Regenmachen! Und welches Wetterphänomen beobachtet ihr eigentlich am liebsten?
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
Hallo, ich habe den Versuch zu Hause ausprobiert habe jedoch das Problem, dass es mit einer Schale drüber einfach nicht funktioniert hat. Dann hatte ich eine Frischhaltefolie anstatt eine Schale genutzt und es funktionierte. Woran kann das liegen? War meine Schale zu dick?
Auch Frage ich mich, wenn die Schale das glas ganz abdeckt, ist doch die Luftzufuhr nicht mehr möglich.
Liebe Grüße
Hallo Ann-Sophie,
Es freut mich, dass du am Ende doch noch eine funktionierende Variante für das Experiment gefunden hast. Wenn die verwendete Schale nicht von vorneherein kalt genug ist, kann es bei dicken Schalen tatsächlich länger dauern, bis die Eiswürfel sie heruntergekühlt haben. Am leichtesten lässt sich das beschleunigen, indem man die Schale vor dem Experiment (wie meine Eiswürfelform) gleich mit ins Gefrierfach oder zumindest den Kühlschrank stellt. Die Luftzufuhr sollte übrigens möglich bleiben, damit der Druck im Glas nicht steigen und das Wasser am Verdampfen hindern kann (denn ohne Dampf kein Regen!). Dazu genügen schon winzige Spalten, wie sie z.B. von einer unregelmässig geformten Schale auf dem Glasrand freigelassen werden. Bei meinem Becherglas hat überdies die Giesse den Druckausgleich ermöglicht. Wenn ihr eine perfekt runde Schüssel auf einem Glas ohne Giesse verwendet, könnt ihr auch Bindfäden oder Gummibänder als Abstandhalter über den Glasrand hängen und die Schale darauf platzieren.
Ich wünsche viel Spass beim weiteren Experimentieren,
Gruss,
Kathi