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Regenradar: Fallgeschwindigkeit von Regentropfen

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Letztes Update am 22.10.2014, 14:36
Insgesamt sind knapp ein Dutzend Kenngrößen für die Fallgeschwindigkeit von Regentopfen entscheidend.

Als Regen wird Niederschlag in flüssiger Form bezeichnet. Der Hauptbestandteil ist Wasser, das nach dem Aufstieg in die Atmosphäre an winzigen Staubkörnchen kondensiert ist. Auch Aerosole, also die Mischung aus Gasen und Schwebeteilchen, spielen bei der Entstehung von Regentropfen eine wichtige Rolle. Die Menge dieser Zusatzbestandteile ist maßgeblich dafür, welchen pH-Wert die Regentropfen haben.

 

Welche Faktoren bestimmen die Fallgeschwindigkeit von Regentopfen?

Insgesamt sind knapp ein Dutzend Kenngrößen für die Fallgeschwindigkeit von Regentopfen entscheidend. Sie beginnen bei der Dichte, der Masse und dem Radius der einzelnen Tropfen. Da sich Regentropfen verformen können, muss der Strömungswiderstandskoeffizient über die Berücksichtigung der Kreisfläche eines Tropfens in die Berechnung mit einfließen. Auch die Viskosität und die Dichte der Luft beeinflussen das Tempo, mit dem ein Regentropfen zur Erde fällt. Bezieht man dann noch die Reibungskraft, die Gewichtskraft und die Erdbeschleunigung mit ein, ergibt sich nach dem Gesetz von Stokes, dass die Fallgeschwindigkeit von Regentopfen mit einem Tropfendurchmesser zwischen 0,5 und 1,5 Millimetern (Tropfen können prinzipiell Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 5 Millimeter aufweisen) etwa zwanzig Kilometer pro Stunde beträgt. Bei einem kräftigen Regenguss sind die Tropfen in der Regel deutlich größer als 1,5 Millimeter. Damit steigt auch ihr Gewicht und in der Folge müsste sich die Erdanziehungskraft stärker auswirken. Dieser Effekt wird allerdings durch die Verformung der Regentropfen ausgeglichen. Damit vergrößern sich die Fläche und der davon verursachte Luftwiderstand. 

Warum bewegen sich Regentropfen trotzdem unterschiedlich schnell?

Dabei muss beachtet werden, dass beispielsweise im Umfeld von Gewittern starker Wind herrscht. Die bei Unwettern auftretenden Fallwinde bescheunigen die Regentropfen temporär zusätzlich, da sich die Luftmassen selbst bewegen und dabei keine Überwindung des Luftwiderstands notwendig ist. Der angegebene Wert kann deshalb nur als theoretische Fallgeschwindigkeit betrachtet werden. Außerdem wird das Gewicht der Regentropfen durch die enthaltenen Gase, Schwebeteilchen und Staubkörnchen beeinflusst. Theoretisch müsste bei der Berechnung der Fallgeschwindigkeit von Regentopfen auch die Temperatur des enthaltenen Wassers mit einbezogen werden. Das geschieht in der Praxis über die Berücksichtigung der Dichte des Regentropfens. Sie nimmt mit steigender Temperatur ab. In der Folge erhöhen sich das Volumen und der Luftwiderstand. Nach den physikalischen Gesetzen ist die Fallgeschwindigkeit von warmen Regentropfen deshalb etwas niedriger als die Fallgeschwindigkeit kalter Regentropfen.

Wie lange brauchen Regentropfen von den Wolken bis zur Erde?

Diese Zeit unterscheidet sich sehr stark, da sich Regenwolken zumeist in der Troposphäre bilden, die je nach Region zwischen acht und 18 Kilometer dick ist. Daraus ergeben sich verschieden lange Wege, die von den Regentropfen zurückgelegt werden müssen. Hinzu kommt die Tatsache, dass Regentropfen nur sehr selten den senkrechten Weg zur Erde nehmen. Sie werden durch die teils gegenläufigen Verschiebungen der Luftmassen in unterschiedlichen Höhen sowie die Trägheit im Zusammenhang mit der Erdrotation vom idealen Weg abgelenkt, was zu einer Verlängerung der Fallzeit führt. 

 

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