Etwas aus der Physikalischen Chemie Vor einigen Tagen tauchten Bilder in der Presse [1] auf, bei denen man ein Flugzeug sieht, das angeblich die Schallmauer durchbricht. Diese Schallmauer ist eine nebelwandartige kleine Wolke. So etwas sieht man öfter bei Airshows, wie das folgende Bild eines B-1-Bombers zeigt.
Flugzeuge fliegen bekanntlich, weil ihre Oberseite durch Strömungsprozesse einen Unterdruck erzeugt, die Unterseite Überdruck. (Diese Strömungen könnt ihr erkennen, wenn ihr bei einem fliegenden Flugzeug von hinten über den Flügel hinweg direkt über die vordere Flügelkante schaut. Hier scheint in einer wenigen Zentimeter dicken Schicht die Luft zu fließen. Sie verzerrt dabei die dahinter liegenden Bilder.) Die Bildung von Unterdruck ist stets mit Abkühlung verbunden. Kalte Luft kann weniger Wasserdampf speichern als warme. (Das wisst ihr von der Wolkenbildung.) Deshalb kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Nebel. Und das ist es auch, was das obige Bild zeigt! Dieses Phänomen könnt ihr selber nachmachen. Zunächst braucht ihr eine Sprudelflasche, z. B. von Gerolsteiner(R) (nicht die grüne Flasche nehmen!).
Der Grund: Der Überdruck in der Flasche, der mehrere bar beträgt, wird auf den äußeren Luftdruck von einem bar entlastet. Das Flascheninnere kühlt sich ab und der bislang unsichtbare Wasserdampf kondensiert zu Nebel. Im Schullabor könnt ihr das Phänomen auch mit Lösemitteln wie Ether nachvollziehen.
Diese Nebelbildung tritt besonders spektakulär bei ruckartigen Flugbewegungen auf und wird von Piloten gern zur Verfeinerung ihrer Demonstration in die Show eingebaut. Vor allem, wenn z. B. ein langsam fliegender Düsenjäger "aus dem Stand" stark beschleunigt oder plötzlich steil hochzieht, kommt es zur Nebelbildung. Ersteres zeigt das untere Bild. Typisch sind auch die zwei Nebelstreifen an den Flügelwurzeln der F-16, die du auf dem folgenden Bild erkennen kannst.
Voraussetzung für dieses Phänomen ist nicht nur eine extreme Fluglage, sondern auch eine ausreichend mit Wasserdampf gesättigte Atmosphäre. Deshalb könnt ihr die Nebelbildung vor allem auch bei in südlichen Gefilden startenden Urlauber-Jets beobachten: Setzt euch im Flugzeug so hin, dass ihr beim Startvorgang in die Triebwerksöffnung schauen könnt. In dem Moment, wenn der Pilot kurz vorm Rollen des Flugzeugs die Turbinen schlagartig stark hochdreht, seht ihr ganz besonders bei feuchtwarmem Wetter die Bildung von Nebel vor und in den Triebwerksöffnungen. Das plötzliche Hochdrehen der Turbinen erzeugt nämlich einen starken Unterdruck vor dem Flugzeug. Denn ein Triebwerk schaufelt dann über 100 m3 Luft in einer Sekunde ein! Die damit verbundene Abkühlung führt oftmals zu so starker Nebelbildung, dass manche ängstliche Leute meinen, dass die Triebwerke qualmen! Bei schlechtem Wetter landende Jets ziehen oftmals an den Flügelspitzen spiralartige Nebelstreifen nach. Diese sind nicht mit den Kondensstreifen, die ein hochfliegendes Flugzeug zieht, zu verwechseln. Letztere beruhen in diesem Fall vor allem auf dem Wasserdampf aus der Atmosphäre, der bei der Verbrennung des Treibstoffs (Kerosin) aufgrund freigesetzter Schwefelsäure kondensiert. Hier ist wieder ein Unterdruckphänomen im Spiel: An den Flügelspitzen bilden sich aufgrund des Druckausgleichs zwischen Ober- und Unterseite Wirbelschleppen, in denen Unterdruck herrscht. Das bedeutet Abkühlung und folglich Kondensation des Wasserdampfs der Luft.
Bleibt noch die Frage, warum ein Gas, das man expandiert, sich abkühlt. Zwischen
Gasteilchen wirken Anziehungskräfte, die bei der Volumenvergrößerung
überwunden werden müssen. Das geschieht auf Kosten der inneren Energie des Systems; die
Teilchen werden langsamer. Da sie das Thermometer weniger stark bombardieren, misst man eine
tiefere Temperatur. Das Gas kühlt sich also ab.
Sogar die französische Europhysics News [3] widmet diesem Phänomen ihr Titelbild, das sie einem Fachbuch über strömende Flüssigkeiten [4] entnommen hat. Dazu schreibt das Blatt: "A Hornet flying at slightly smaller speed than the sound velocity breaks the sound barrier at some places (of its wings). Water condensation occurs at these places of maximum pressure variations and takes a conical shape."
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