Wie können dunkle, Millionen Tonnen schwere Wolken am Himmel schweben? Ist das Gesetz der Schwerkraft versagt?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung von Fragen von Internetnutzern: Ich habe gehört, dass Wolken mehrere Tonnen wiegen. Wie können sie also in der Luft schweben? Würde die Schwerkraft nicht versagen?

„Clouds floating in the sky“ bedeutet, dass Wolken in der Luft schweben. Das hat etwas mit der Schwerkraft zu tun, aber nicht viel. Die Schwerkraft manifestiert sich als Schwerkraft auf der Erdoberfläche. Bei gleicher Luft- und Wolkenmasse ist die Schwerkraft gleich.

Der Ausdruck der universellen Gravitation lautet: F=GMm/r^2. Hier ist G die Gravitationskonstante, also der Gravitationswert, wenn zwei 1 kg schwere Objekte einen Meter voneinander entfernt sind, was ungefähr 6,67*10^−11N⋅m^2/kg^2 entspricht; M und m beziehen sich auf die Massen der beiden Objekte, die eine Gravitationskraft aufeinander ausüben, in Kilogramm; r ist der Abstand zwischen den Schwerpunkten der beiden Objekte, die eine Gravitationskraft aufeinander ausüben.

Aus der Formel der universellen Gravitation können wir ersehen, dass die Schwerkraft eine Wechselwirkung ist, die die Manifestation der Interaktion zwischen zwei oder mehr Objekten darstellt. Die Stärke der Schwerkraft ist proportional zur Masse und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den interagierenden Objekten. Auf der Erde oder anderen Himmelskörpern manifestiert sich die Schwerkraft als Schwerkraft.

Die Schwerkraft ist nicht völlig gleichbedeutend mit der Schwerkraft. Als Himmelskörper ist seine Masse festgelegt und auch seine Schwerkraft ist festgelegt. Aufgrund der Rotation des Himmelskörpers ist die Zentrifugalkraft in verschiedenen Breitengraden jedoch unterschiedlich, was zu Unterschieden in der Schwerkraft führt. Je höher der Breitengrad, desto größer die Schwerkraft, und je niedriger der Breitengrad, desto geringer die Schwerkraft. Dieser Unterschied ist jedoch gering und der Schwerkraftwert g auf der Erdoberfläche wird üblicherweise mit 9,8 N/kg angegeben. Tatsächlich ist es jedoch so, dass am Äquator der Erde bei 0 Grad Breite die Schwerkraft 9,79 N/kg beträgt. Bei 90 Grad geografischer Breite an den Polen beträgt die Schwerkraft 9,83 N/kg.

Das heißt, für ein 1 kg schweres Objekt beträgt die Gravitationskraft am Äquator bei 0 Grad Breite nur 9,78 N; aber bei 90 Grad Breite an den Polen beträgt er 9,83N.

Was die Gravitationskraft und Schwerkraft betrifft, ist die Schwerkraft von Wolken und Luft gleicher Masse gleich. Aber warum können Wolken in der Luft schweben? Dabei handelt es sich um die Theorie des Auftriebs. Auftrieb ist eine Kraft, die der Schwerkraft entgegengerichtet ist. Es bezieht sich auf die vertikale Aufwärtskraft, die auf ein in eine Flüssigkeit eingetauchtes Objekt ausgeübt wird. Es handelt sich um die resultierende Kraft, die durch den Unterschied im Flüssigkeitsdruck auf jeder Oberfläche eines Objekts in einer Flüssigkeit oder einem Gas entsteht.

Diese Theorie wurde vor mehr als zweitausend Jahren vom antiken griechischen Philosophen und Wissenschaftler Archimedes entdeckt und entwickelt. Die Definitionsformel lautet Ffloat=Gdisplacement und die abgeleitete Formel lautet Ffloat=Gdisplacement=ρliquidgVdisplacement....Diese Formeln sind mühsam zu erklären. Nun möchte ich es auf einfache Weise erklären. Der Auftrieb ist im Wesentlichen ein Phänomen, das durch den Dichteunterschied von Objekten unter Schwerkraftbedingungen verursacht wird.

Die Dichte ist ein Indikator, der das Verhältnis zwischen Masse und Volumen eines Objekts misst. Sein Symbol ist ρ und seine Einheit ist im Allgemeinen kg/m^3 (Kilogramm pro Kubikmeter) oder g/cm^3 (Gramm pro Kubikzentimeter). Unter den Gravitationsbedingungen der Erde oder anderer Himmelskörper sinken Objekte mit höherer Dichte in der Flüssigkeit und Objekte mit geringerer Dichte steigen auf.

Beispielsweise beträgt die Dichte von Wasser 1000 kg/m³, während die Dichte von trockenem Holz im Allgemeinen zwischen 400 und 600 kg/m³ liegt, sodass es auf dem Wasser schwimmt. Andere Objekte, die leichter als Holz sind, also Objekte mit geringerer Dichte, schwimmen leichter auf dem Wasser. Manche Leute fragen sich vielleicht: Die Dichte von Stahl ist viel größer als die von Wasser. Warum kann dann ein 10.000-Tonnen-Schiff auf dem Wasser schwimmen?

Ja, die Dichte von Kohlenstoffstahl beträgt etwa 7850 kg/m³ und ist damit 7,85-mal höher als die Dichte von Wasser. Warum schwimmen Schiffe aus Stahl? Zur Erinnerung: Dichte bezieht sich auf die Beziehung zwischen Volumen und Masse und ist ein Maß für die Masse innerhalb eines bestimmten Volumens eines Objekts. Überlegen wir einmal, ausgehend von diesem Prinzip: Obwohl Schiffe aus Stahl bestehen, werden sie von den Menschen als große Hohlräume konstruiert, sodass die Gesamtdichte erheblich reduziert wird.

Das heißt, egal ob es sich um ein kleines Boot oder ein 10.000-Tonnen-Schiff handelt, egal ob es aus Stahl oder anderen Materialien besteht, sein Volumen ist sehr groß. Wenn beispielsweise 100.000 kg Stahl zum Bau eines Schiffes mit einem Volumen von 1.000 Kubikmetern verwendet werden, wie hoch ist dann die Dichte eines solchen Schiffes? Rechnen wir: 100000/1000=100, das heißt, die Dichte beträgt 100kg/m^3 und die Dichte von Wasser beträgt 1000kg/m^3. Auf diese Weise ist das Schiff durchaus schwimmfähig und kann auch viel Ladung transportieren.

Dennoch glaube ich, dass jeder verstehen sollte, warum Wolken in der Luft schweben können, oder?

Einfach ausgedrückt sind Wolken ein Phänomen, das durch das riesige Wasserzirkulationssystem auf der Erdoberfläche verursacht wird. Unter Sonneneinstrahlung verdunstet Wasser auf der Erdoberfläche und es entsteht Wasserdampf. Wenn der Wasserdampf übersättigt ist, sammeln sich Wassermoleküle um den Staub in der Luft und bilden Wassertropfen oder Eiskristalle, die das Sonnenlicht in alle Richtungen streuen, sodass wir bunte Wolken sehen können.

Warum steigt Wasserdampf auf? Da die Dichte von gesättigtem Wasserdampf 0,6 kg/m³ beträgt und die Dichte von Luft etwa 1,29 kg/m³ beträgt, steigt der Wasserdampf natürlich auf. Wenn dieser Wasserdampf zu Wassertropfen oder Eiskristallen kondensiert, ist ihre Dichte als Einzelkristalle größer als die von Luft, doch in dem riesigen Wasserdampfvolumen ist die Gesamtdichte sehr gering und liegt sogar unter 0,5 kg/m³.

Darüber hinaus führt der thermische Ausdehnungs- und Kontraktionseffekt dazu, dass die heiße Luft am Boden weiter aufsteigt, was diese kleinen Wassertröpfchen und Eiskristalle unterstützt. Bei Wetter mit starker Konvektion werden diese kleinen Wassertropfen und Eiskristalle ständig durch die Schwerkraft nach unten gezogen und durch heiße Luft nach oben gehoben, und sie bewegen sich unter ständiger Kollision auf und ab. Die heiße Luft kann die Last schließlich nicht mehr tragen und nicht mehr anheben, sodass es zu starkem Regen oder Hagel kommt.

Schneidet man ein Hagelkorn auf, sieht man dessen geschichtete Struktur. Dies ist das Ergebnis der „Manipulation“ durch die Schwerkraft und heiße Luft und des ständigen Auf- und Abrollens in der Luft.

Das Gewicht einer Wolke wird anhand ihres Volumens gemessen. Die Aussage, dass eine Wolke mehrere Tonnen wiegt, ist eine gewaltige Unterschätzung. Jede Wolke ist mehrere Kilometer groß. Selbst eine Wolke mit einer Fläche von einem Quadratkilometer würde bei einer Dichte von 0,5 kg/m³ 500.000 Tonnen wiegen. Das gleiche Luftvolumen wiegt 1,29 Millionen Tonnen. Auf diese Weise können die Wolken, egal wie schwer sie sind, nur in der Luft schweben und die Luft kann nur nach unten sinken.

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