Wenn die vom Erdboden aufgenommene Sonnenenergie nur durch die schlechte Wärmeleitung an die Luft abgegeben würde, müsste sich die Erdoberfläche tagsüber um etwa 200°C aufheizen! Es müssen also andere Prozesse existieren, die wesentlich effektiver und vor allem schneller arbeiten.

Die Thermikblase - die Segelflieger freuen sich

Durch direkten Kontakt mit der Erdoberfläche nehmen die Luftmoleküle Energie auf, werden wärmer und zittern immer schneller. Da sie gleichzeitig leichter werden als die kalten Moleküle darüber, schießen sie in die Höhe und nehmen dabei ihre Energie mit. Da jeder Kubikzentimeter Luft etwa 10¹⁹ Moleküle enthält, geht es in den untersten Millimetern chaotisch zu.

Doch kehrt sehr schnell Ordnung ein. Die Moleküle ordnen sich zu Transportverbänden, die in die Höhe steigen. Auf den Gegenfahrbahnen sinkt kalte Luft zu Boden. Das alles geschieht bei ständig sich ändernden äußeren Bedingungen. Z.B reißt der Wind, der über den Boden streicht, die Moleküle mit. Doch trotz dieses ständigen Austausches bleibt das Ordnungsprinzip erhalten. Neu ankommedne Moleküle fügen sich nahtöos in das Transportsystem ein. Unserem Auge bleibt die wunderbare Ordnung verborgen; es registriert lediglich ein Flimmern über dem heißen Boden.

Nach einigen Zentimetern werden die Kleintransporter zu großen Verbänden zusammengefasst. Wie im morgendlichen Berufsverkehr die anfangs ungeordnete Zahl von Autos aus den Nebenstraßen sich allmählich in den Zufahrtsstraßen ordnet, um dann einen ständigen Strom auf den mehrspurigen Straßen in die Ballungszentren zu erzeugen.

Diese Großverbände steigen nun mit Energie beladen wie ein Heißluftballon in die Höhe. Man kann sie nicht sehen, aber es gibt Anhaltspunkte, wo sie anzutreffen sind. Wenn Segelflieger ganz enge Kurven fliegen und sich dabei in die Höhe schrauben, haben sie einen solchen Großverband gefunden. Da es sich bei diesem Vorgang ähnlich verhält wie in einem Kochtopf, wo beim Erhitzen Blasen aufsteigen, nennt man einen solchen Energie-Großverband Thermikblase. Beobachtet man die Segelflieger noch eine Zeitlang, kann es passieren, dass über den Segelfliegern plötzlich eine Wolke entsteht. Thermikblase und Wolke müssen also etwas miteinander zu tun haben.

Der Wasserdampf - der flüssige Treibstoff

Bisher haben wir bei allen Betrachtungen stillschweigend angenommen, dass sich die Sonnenenergie in Wärme umwandelt, also direkt fühlbar wird. Dafür wird aber nur ein Teil der Sonnenenergie verwendet. Was mit dem anderen Teil der Sonnenenergie geschieht, kennen Sie aus Erfahrung. Nach einem Regenguss trocknet die von der Sonne beschienene Straße sehr schnell ab, während es auf dem im Schatten liegenden Teil noch lange feucht bleibt.

Wo ist die Feuchtigkeit auf der Straße hin und was hat das mit unserem Energietransportsystem zu tun? Um das zu beantworten führen wir ein kleines Experiment durch. Wir erhitzen einen kleinen Topf mit Wasser und messen die Zeit bis zum Kochen, was bei etwa 100°C der Fall sein wird. Lassen wir das Wasser weiter kochen, erhöht sich zwar die Temperatur nicht, aber das Wasser wird weniger. Bis es verschwunden ist, wird etwa siebenmal  soviel Zeit vergangen sein, wie anfangs benötigt wurde um das Wasser zum Kochne zu bringen. Hätten wir den Energieverbrauch gemessen, wüssten wir, dass für das Verdunsten von 1 Liter Wasser rund 540 kcal benötigt wurden.

Energie kann aber nicht verschwinden, sondern sich immer nur in eine andere Form verwandeln. Die Energie, die wir in unser Experiment gesteckt haben, muss sich also irgendwo wiederfinden. Klar ist, dass der erste Teil dazu verwendet wurde, das Wasser zum Kochen zu bringen. Das können wir fühlen. Aber Vorsicht, denn ganz schnell ist die Hand verbrüht! Da wir diese Wärme direkt fühlen können, sagt man, die Energie hat sich in fühlbare Wärme verwandelt.

Der weitaus größere Teil der Energie (die Herdplatte war ja siebenmal länger an!) muss in irgendeiner Form in dem verschwundenen Wasser stecken. Das Wasser ist natürlich nicht verschwunden, es hat sich nur verwandelt. Aus dem sichtbaren flüssigen Wasser wurde unsichtbares gasförmiges Wasser , das nun in der Luft mit enthalten ist. Und da steckt dieser weitaus größere Teil der aufgewendeten Energie drin.

Wenn nun aber die Energie in dem verdunsteten Wasser steckt, muss wir sie auch wieder zurückgewinnen können. Dazu muss der Verdunstungsprozess nur umgedreht werden, d.h. wir müssen das verdunstete Wasser kondensieren lassen.

Diesen Kreislauf erleben Sie bei Ihrem Kühlschrank. Statt Wasser wird ein anderes Mittel verwendet, doch das Prinzip bleibt gleich. In den Kühlschlangen verdunstet das Mittel und nimmt die dafür nötige Energie aus der Luft im Kühlschrank; d.h. die Luft im Kühlschrank wird kälter. Auf der Rückseite des Kühlschrankes kondensiert das Mittel und gibt dabei die im Innern aufgenommene Wärme ab. Deshalb kommt warme Luft hinter dem Kühlschrank hervor.

Da die zum Verdunsten benötigte Energie in der gasförmigen Luft gebunden (lat.: latent) bleibt und beim Kondensieren wieder als Wärme frei wird, nennt man diese Form der Energie latente Wärme. Wenn sich also Wasser in seine verschiedenen Zustände fest, flüssig und gasförmig umwandelt, wird der umgebenden Luft entweder Wärme zugführt oder entzogen. Dieses Erwärmen oder Abkühlen der Luft durch Phasenänderungen des Wassers ist ein elementar wichtiger Antrieb für das Wettergeschehen!

Die von der Sonne gelieferte Energie erwärmt also nicht nur die feste Erdoberfläche, sondern lässt zusätzlich Wasser verdunsten, das sich mit Luft vermischt. Die erwärmte Luft und das darin enthaltene unsichtbare gasförmige Wasser wird als feuchte Luft bezeichnet.

Wie daraus dann Wolken werden, erfahren Sie im nächsten Teil.