Frontiers for Young Minds (Deutsch)

Regen ist eine der am häufigsten geteilten Erfahrungen auf der Erde, und ich wette, Sie werden es regelmäßig erleben. Manchmal sind Sie bereit, mit entsprechender Kleidung und manchmal nicht!, Der Niederschlag ist manchmal lang und leicht, manchmal kurz und schwer und manchmal lang und schwer. Wenn der Niederschlag lang und stark ist, kann dies zu schnellen Überschwemmungen führen, die für die nahe gelegene Bevölkerung gefährlich sind. Niederschlag ist auch notwendig, da er Pflanzen mit Wasser versorgt und letztendlich Flüsse füllt. Da Niederschlag sowohl eine notwendige Ressource als auch eine Bedrohung ist, ist es wichtig, dieses Naturphänomen besser zu verstehen.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sie bereits bemerkt haben, dass Regen im Laufe der Zeit variabel ist. Wenn Sie am selben Ort bleiben, regnet es dort nicht die ganze Zeit., Selbst während eines regnerischen Ereignisses kann sich die Stärke des Regens ständig von sehr leicht zu sehr stark ändern. Die stärkeren Regenperioden sind meist recht kurz. Diese Art von Variabilität des Niederschlags ist auch in größerem Maßstab sichtbar, da es bekanntlich feuchtere Monate oder Jahre und trockenere gibt. Es gibt auch Variabilität, wo Niederschläge auftreten. Es kann viel an einem Ort regnen und überhaupt nicht oder mit einer ganz anderen Stärke, ein paar Kilometer oder sogar ein paar hundert Meter entfernt.

Die Variabilität ist ein grundlegendes Merkmal des Niederschlags, das die Messung komplex macht., Meteorologen (Menschen, die Wetter studieren) und Forscher haben zahlreiche Messgeräte entwickelt, mit denen sie die extreme Variabilität von Niederschlägen untersuchen können. Wir erklären die Funktionsweise der drei am häufigsten verwendeten Geräte. Die Daten, die wir präsentieren, wurden auf dem Campus der Ecole des Ponts ParisTech gesammelt, wo ich arbeite.

Wie messen wir die Regenmenge, die fällt?

Die häufigste Niederschlagsmessung ist die gesamte Niederschlagstiefe während eines bestimmten Zeitraums, ausgedrückt in Millimetern (mm)., Zum Beispiel möchten wir vielleicht wissen, wie viele Millimeter Regen im Laufe von 1 h, 1 Tag, 1 Monat oder 1 Jahr gefallen sind.

Sie können leicht zu Hause eine grobe Messung der Niederschlagstiefe erhalten. Folgen Sie einfach diesen Schritten: (1) Nehmen Sie eine Flasche mit glatten Seiten, schneiden Sie den oberen Teil ab und drehen Sie sie auf die Oberseite der Flasche, um eine Art Trichter zu erzeugen (siehe Abbildung 1A). (2) Kleben Sie ein Lineal auf die Seite der Flasche und füllen Sie die Flasche Wasser bis zur Nullmarke auf dem Lineal, die über den Unebenheiten am Boden der Flasche liegen sollte. Die Unebenheiten würden sonst die Messung beeinflussen., (3) Bringen Sie Ihren Regenmesser so weit wie möglich von Gebäuden und Bäumen nach draußen. (4) Beachten Sie regelmäßig den Wasserstand (z. B. jeden Morgen um 8:00 Uhr vor dem Schulbesuch), um Ihre eigenen Daten zu sammeln. Wenn Sie Ihre Messungen im Sommer durchführen möchten, verdunstet ein Teil des Wassers in der Flasche (bis zu einigen mm pro Tag), was sich auf Ihre Messungen auswirkt. Um dies zu vermeiden, können Sie dem Wasser eine dünne Schicht Öl hinzufügen. Da es leichter als Wasser ist, schwimmt das Öl auf der Oberseite des Wassers und verhindert Verdunstung., Die Messungen, die Sie von Ihrem Regenmesser erhalten, zeigen Ihnen, wie viel Niederschlag über einen bestimmten Zeitraum aufgetreten ist.

Profis verwenden kompliziertere Geräte, die als Kippeimer-Regenmessgeräte bezeichnet werden, und Sie können eine in Abbildung 1B sehen. Dieses Regenmessgerät sieht aus wie Ihr selbstgebautes Gerät, außer dass sich zwei Eimer unter dem Trichter befinden. Das Wasser, das in das Regenmessgerät fällt, wird durch den Trichter zu einem Eimer geleitet. Sobald dieser Eimer gefüllt ist, normalerweise nach 0.,2 mm regen fällt, es ist entworfen, um automatisch spitze, was bedeutet, dass die andere eimer wird jetzt werden unter die trichter. Der Vorgang beginnt mit diesem anderen Eimer von vorne, bis er gefüllt und gekippt ist. Das Regenmessgerät zeichnet die Zeit aller Eimerspitzen auf, die dem Forscher Daten darüber geben, wie schnell der Regen im Laufe der Zeit fällt. Abbildung 1C zeigt ein Beispiel für die Daten, die mit einem Kippeimer Regenmesser erhalten werden können. Diese Beobachtungen wurden am 27. Juni 2017. Die Niederschlagstiefe (in mm) nahm zwischen 13:00 und 14:00 Uhr schnell zu, was bedeutet, dass es in dieser Zeit viel geregnet hat., Während einer Periode von leichtem Regen ist dieses Gerät nicht sehr präzise. Zum Beispiel können Sie zwischen 05:15 und 13:00 Uhr nur feststellen, dass 0, 2 mm Regen gefallen sind (eine Spitze eines Eimers), aber Sie wissen nicht genau, wann dieser Regen gefallen ist. Wenn es viel Wind gibt, kann dies auch die Genauigkeit des Geräts beeinträchtigen.

Wie messen wir die Größe von Regentropfen?

Woraus besteht Regen? Regen fällt, offensichtlich! Regenmesser sind nicht empfindlich genug, um einzelne Regentropfen messen zu können. Um Daten über Tropfen und deren Größe zu sammeln, benötigen Sie ein Gerät namens Disdrometer.,

Bevor Sie ein „echtes“ Disdrometer beschreiben, können Sie eines zu Hause herstellen (siehe Ref. für eine detailliertere Beschreibung). Befolgen Sie diese Schritte: (1) Nehmen Sie einen Teller und legen Sie einige Millimeter Mehl darüber. (2) Wenn es regnet, gehen Sie mit der Platte nach draußen, decken Sie sie einige Sekunden lang auf, damit einige Tropfen darauf fallen und kleine Krater bilden können. (3) Analysieren Sie das Ergebnis.

Sie werden etwas Ähnliches beobachten wie in Abbildung 2A, und Sie werden feststellen, dass Tropfen nicht alle die gleiche Größe haben—einige sind sehr klein und andere sehr groß!, Tatsächlich sind die Krater größer als die Tropfen, da sich das Wasser nach dem Auftreffen auf die Platte leicht ausbreitet, aber sie ermöglichen es Ihnen dennoch, die große Vielfalt an Tropfengrößen auch in sehr kurzer Zeit direkt zu visualisieren.

Wie Sie sich vorstellen können, wollten Meteorologen und Forscher ein Gerät, das automatischer und präziser ist als die Mehlplatte! Sie verwenden jetzt hauptsächlich optische Disdrometer, die wie in Abbildung 2B gezeigt funktionieren.Diese Art von Disdrometer besteht aus zwei Teilen: einem Sender und einem Empfänger. Der Sender erzeugt eine wenige mm hohe Lichtscheibe. Der Empfänger ist mit dem Sender ausgerichtet, was bedeutet, dass der Empfänger das gesamte Licht empfängt, wenn es nicht regnet., Raten Sie jedoch, was passiert, wenn ein Tropfen durch das Lichtblatt fällt? Die empfangene Lichtmenge ist geringer, da ein Teil durch den Tropfen blockiert wird. Wenn der Tropfen sehr schnell fällt, ist die Dauer der Abnahme des empfangenen Lichts kurz. So wird die Abwärtsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit) des fallenden Tropfens geschätzt. Wenn der Abfall groß ist, nimmt das vom Empfänger gemessene Signal stärker ab als bei einem kleineren Abfall. So wird die Tropfengröße geschätzt. Auf diese Weise werden Größe und Geschwindigkeit jedes Tropfens gemessen, der zwischen Sender und Empfänger verläuft.,

Regentropfen können bis zu 5-6 mm groß sein.Größere Tropfen werden im Herbst gespalten. In der Tat sind sie bei dieser Größe nicht stark genug, um der Kraft des Windes zu widerstehen, den sie fühlen, wenn sie schnell fallen. Die Geschwindigkeit, mit der Tropfen fallen, nimmt mit ihrer Größe zu: 1-mm-Tropfen fallen auf 3 m/s, während 5-mm-Tropfen (sehr große) auf 8 m/s fallen. Abbildung 2C zeigt die Anzahl der Tropfen jeder Größe, die während eines Sturms gefallen sind, der am 27. Kleine Tropfen sind viel zahlreicher als große. Vergessen Sie jedoch nicht, dass ein 1-mm-Tropfen ein 125-mal kleineres Volumen als ein 5-mm-Tropfen hat!, Dies bedeutet, dass, obwohl sie nicht zahlreich sind, große Tropfen einen Großteil der Niederschlagstiefe ausmachen. Betrachten wir nun aufeinanderfolgende Zeitschritte von 30 s. Wenn Sie dann das Volumen aller Tropfen hinzufügen, die während eines 30-s-Zeitschritts durch das Disdrometer geleitet wurden, können Sie die Regentiefe schätzen, die während jedes 30-s-Zeitschritts gefallen ist. Diese Schätzung gibt Ihnen die Regenrate und wird normalerweise in mm / h ausgedrückt. Die Regenrate gibt Ihnen eine Vorstellung von der Stärke des Niederschlags., Die Regenrate entspricht der Regentiefe, die sich über 1 h ansammeln würde, wenn die Regenrate während dieser Stunde konstant bleiben würde (was im wirklichen Leben eigentlich nie vorkommt). Abbildung 2D zeigt die Regenrate (in mm/h) mit 30-s-Zeitschritten während desselben 27 June 2017-Ereignisses. Die starke Variabilität der Regenrate ist in der Grafik leicht zu erkennen.

Wie Tun Wir Machen die Niederschläge Karten?

Bisher haben wir nur Geräte besprochen, die Niederschlagsmessungen an einem genauen Ort durchführen können., Sowohl Regenmesser als auch Disdrometer geben Ihnen nur eine Vorstellung von dem Regen, der auf sie fiel, aber nicht auf die Umgebung oder 20 km entfernt. Um Niederschlagskarten zu erstellen, bei denen es sich um Karten mit der Regenmenge handelt, die über einen bestimmten Zeitraum (z. B. 5 min oder 1 h) an mehreren Orten gefallen ist, müssen wir uns auf das Wetterradar verlassen.

Die Funktion des Wetterradars ist in Abbildung 3A zusammengefasst. Erstens überträgt das Radargerät eine elektromagnetische Welle in eine Richtung, die etwas Energie durch die Atmosphäre überträgt., Wenn diese Energie einen Wassertropfen in einer Wolke erreicht, wird ein winziger Teil dieser Energie an die Radarausrüstung zurückgesendet. Dann misst das Gerät diese sehr kleine Menge an Energie, die von allen Tropfen empfangen wird. Mit speziellen Computerprogrammen ist es möglich, die aufgenommene Energiemenge in die Regenmenge umzuwandeln. Es ist wichtig zu bedenken, dass ein Radar nicht direkt die Regenmenge misst, sondern die von den Tropfen zurückgesendete Energiemenge misst. Diese Umwandlung von Energie in die Regenmenge erweist sich als schwierig und die Menschen forschen immer noch, um sie zu verbessern ., Beispielsweise werden derzeit die Tropfengrößenverteilung und die Tropfenposition innerhalb eines Radarpixels als homogen angenommen. Es ist eine übermäßige Vereinfachung der Realität, die die Messungen beeinflussen kann . Das Computerprogramm ermöglicht es dem Radargerät, die Niederschlagsmenge an Orten zu schätzen, die weit davon entfernt sind. Das Radargerät kann sich drehen und auch seinen Winkel ändern, so dass es die Regenrate in seiner gesamten Umgebung abschätzen kann.

Abhängig von der Art des Radars ist es möglich, Niederschläge bis zu 150-200 km von der Radarausrüstung abzuschätzen. Zahlreiche Industrieländer verfügen über ein Netzwerk von Radargeräten., Durch die Kombination der von all den verschiedenen Radargeräten gesammelten Daten können wir Karten der Niederschläge über das ganze Land erhalten. Abbildung 3B zeigt ein Beispiel für eine Niederschlagsradarkarte, die von Radargeräten an der Ecole des Ponts ParisTech gemessen wird. Die Variabilität des Niederschlags ist zu sehen-beachten Sie die beiden sehr intensiven Zellen im unteren Teil der Karte in Gelb und Rot.

Was Haben Wir gelernt?

Der Niederschlag ist extrem variabel, sowohl im Laufe der Zeit als auch zwischen verschiedenen Orten, was die Messung sehr schwierig macht., Ein Regenmesser sammelt grundsätzlich Wasser, das darauf fällt, und zeichnet die Änderung im Laufe der Zeit in der Niederschlagstiefe auf, die normalerweise in mm ausgedrückt wird. Sie können viel detailliertere Informationen mit Disdrometern erhalten. Ein Drisdrometer erzeugt eine Lichtscheibe, die teilweise blockiert wird, wenn ein Tropfen durch sie fällt. Die Größe und Geschwindigkeit jedes Tropfens, der durch die Lichtscheibe hindurchgeht, wird anhand der blockierten Lichtmenge geschätzt., Um Niederschlagskarten zu erstellen, die Niederschläge an mehreren Orten messen, müssen wir Radar verwenden, das im Grunde genommen etwas Energie in die Atmosphäre sendet und den Teil dieser Energie analysiert, der an sie zurückgegeben wird, wenn sie von den Regentropfen in der Atmosphäre abprallt. Es gibt immer noch viele Wissenschaftler, die daran arbeiten, Niederschläge im Laufe der Zeit und an mehreren Orten gleichzeitig genau zu messen.

Glossar

Kippeimer Regenmessgeräte: Ein Gerät, das die kumulative Niederschlagstiefe (in mm) an einem genauen Ort misst.,

Disdrometer: Ein Gerät, das die Größe und Geschwindigkeit jedes durch ihn hindurchgehenden Regentropfens misst.

Wetterradar: Ein Gerät, das die Berechnung von Niederschlagskarten über eine große Fläche für verschiedene Zeitschritte (z. B. 5 min, 1 h und 1 Tag) ermöglicht.

Homogen: Überall ähnlich sein.

Erklärung zum Interessenkonflikt

Der Autor erklärt, dass die Untersuchung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.,

Danksagungen

Die Autoren bestätigen die teilweise finanzielle Unterstützung des Lehrstuhls „Hydrologie für belastbare Städte“ (gestiftet von Veolia) der Ecole des Ponts ParisTech.