Erling Skaar (2003)

Innhold:

Bakgrunn (eget dokument)
7 fysikkprinsipp som styrer været
Noen svar på hvorfor-spørsmål
Temperatur, trykk og luftfuktighet
Vind og skytyper
 

Mål for dette heftet

"Alle snakker om været, men ingen gjør noe med det" er et uttrykk som forteller at været er et populært tema, men det er da ikke så mye vi kan gjøre med det. I skoleverket har det vært populært å undervise om vær og tilhørende begrep.

Målinger og observasjoner er et viktig grunnlag for naturvitenskapen og det er derfor viktig at elever i grunnskolen får erfaringer med slike aktiviteter. Her vil vi derfor gi noen tips til hvordan vi kan gjøre værobservasjoner sammen med barn. I sammenhengen med at barn måler ulike værfaktorer, er det også nødvendig å lære dem litt om hva som ligger i de ulike begrepene som brukes. Da kan de i neste omgang oppdage sammenhengene som finnes mellom de ulike begrepene. Det er med andre ord et mål at barna skal kunne gjøre ulike værmålinger og skjønne hovedprinsippene bak de ulike værfenomenene vi observerer. Det er vanlig at barn formulerer spørsmål som begynner med "Hvorfor" i forbindelse med vær, og målet i dette teoriheftet er da å presentere noen fakta som kan fungere som et grunnlag for å svare på slike spørsmål. Vi ønsker med andre ord å gi en dypere innsikt i fysikken som ligger "bak" været.

Hvorfor ikke heller spør hvorfor det regner? - det kan gi opphav til ulike typer kunnskap?

7 fysikkprinsipp som styrer været

Målet for undervisningen om vær er at elevene ikke bare skal konstaterer at ting skjer, men også at de skal forstå litt om hvorfor ting skjer. Her vil vi samlet 7 prinsipp som er grunnleggende for å forstå årsaken til det været vi observerer omkring oss. Endel av disse prinsippene er også beskrevet i andre dokumentet. Tanken er at læreren kan henvise til disse i forbindelse med et opplegg om vær og på den måten gi elevene en dypere forståelse for hvorfor ting skjer. I vanlig undervisning er vi kanskje mest opptatt av å forklare og beskrive ulike fenomen og svare på HVA-spørsmål. (Hva er? Hva skjer? osv.) Prinsippene nedenfor er i denne sammenheng ment som en hjelp i forbindelse med HVORFOR-spørsmål. (Hvorfor regner det, hvorfor blåser det osv. ) Barn vil ofte spørre slike spørsmål og det er viktig at læreren kan svare på noen av disse spørsmålene om barnas nysgjerrighet fortsatt skal holdes ved like.

Figuren viser hva som skjer med temperaturen til en isbit når vi tilfører energi med jevn effekt. Merk at det går mye varme med til å omdanne is til vann ved 0 °C og enda mer når vann omdannes til damp ved 100 °C.

Prinsipp 1

Her har vi brukt varme som en generell energibetegnelse. Temperatur er da noe annet som vi vanligvis måler med termometer. Når vi snakker om været er det viktig å ha en generell forståelse for hvor mye energi som er lagret i ulike sammenhenger. Det kreves f.eks. mer energi å varme opp vann enn å varme opp luft. Det kreves videre svært mye energi for å fordampe vann. Her vil vi derfor kort nevne at temperaturøkningen ikke er det eneste som skjer når vi tilfører varme. Merk at varmeoverføringen (energioverføringen) i enkelte situasjoner kan være svært store selv om temperaturvariasjonene er beskjedne. Et eksempel er når is smelter. Temperaturen i både isen og vannet er ca 0°C, men det er mye varmeenergi som går med for å smelte is. Det kreves altså spesielt mye energi for å tine is og enda mye mer for å fordampe den samme mengden med vann. Her følger noen hovedformuleringer.

Når temperaturen øker vil volumet øke og omvendt


Når volumet øker vil temperaturen avta og omvendt


Når temperaturen øker vil luften kunne ta opp mer vanndamp 

Prinsipp 2
Dette prinsippet gjelder for de fleste stoff, men det er mest synlig for gasser og minst for faste stoff. Et viktig unntak er vann/is omkring 0°C.

Prinsipp 3
Hva så om vi så snur på prinsippet ovenfor? Hva skjer hvis vi ved ytre krefter presser et stoff sammen eller plutselig utvider området hvor vi har et stoff? Det som skjer kan sammenfattes slik:

Utvidelse (mindre trykk) medfører avkjøling.
Sammenpressing (større trykk) medfører oppvarming.

Prinsipp 4
Luft kan ta opp i seg en viss mengde vanndamp ved ulike temperaturer. Ved temperaturer over 100 grader (og et trykk på 1 atmosfære) vil alt vann (H₂O) være i gassform. Når temperaturen er under 100 grader vil det imidlertid være en viss mengde vannmolekyl som har mistet kontakten med en eller annen væskesamling (havet el.) og blir "opptatt i familien" av luftmolekyl. Nårdette ksjer kaller vi det fordampning. Her vil vi understreke at luftfuktighet er definert relativt i forhold til maksimal luftfuktighet ved den aktuelle temperaturen og maksimal luftfuktighet er d 100%. Det betyr at luftfuktigheten som vanligvis oppgis i prosent, vil endre seg både når antall vannmolekyl (H₂O) endrer seg og når temperaturen endrer seg. En luftfuktighet på 50% betyr altså ikke at 50% av luften består av vannmolekyl, men at det er halvdelen så mange luftmolekyl i luften som det maksimalt kan være ved gitt temperatur og trykk. Prinsippetkan uttrykkes slik:

Luft med høy temperatur kan inneholde mer vann (H₂O) enn luft med lav temperatur.

Det at lette ting vil stige mens tyngre ting vil synke i både gass og væske er analogt med det som skjer med en vektstang.


Om man står på ei dreieskive og har litt dreiehastighet mens armene er ute, vil dreiehastigheten øke betraktelig om man trekker armene inn til kroppen.


Luftstrømmer/vind som er på veg fra et sted til et annet vil på grunn av den såkalte corioliskraften føle en kraft mot høyre på den nordlige halvkulen og andre vegen på den sørlige halvkulen

Prinsipp 5
Dette prinsippet er lett å vise med flyte-synke-forsøk i vann. Prinsippet gjelder også i luft. En betingelse er at det finnes et tyngdefelt (gravitasjonsfelt). Det finnes overalt på jorda. Derfor gjelder også prinsippet på jorda, men ikke i vektløse forhold i universet. Dette prinsippet har sin "bakgrunn" i mekanikken, men det blir ofte brukt i tilknytning til varmelæra. Om vi skal sannsynliggjøre hvorfor det er slik så kan kanskje en analogi med ei vektstang være nyttig slik som vist på figur til høyre. En mulig formulering av prinsippet er:

I væske/gass i et gravitasjonsfelt gjelder:
-Det som er "lett" (minst tetthet) stiger.
-Det som er "tyngst" (størst tetthet) synker.

Prinsipp 6
Her vil vi bare nevne at om det er luftmasser eller en kunstløper på skøyte som dreier så gjelder de samme reglene som vi f.eks kan formulere slik:

Det er da dette prinsippet som gjør at det bare er rundt lavtrykk at det blir sterke vinder. I dette tilfellet trekkes luft innover og følgelig vil en eventuell dreiing få økt hastighet.

Prinsipp 7
Mens massefordelingen på et dreiende legeme har store og lett påvisbare konsekvenser for dreiehastigheten, så er den såkalte corioliskraften så svak at det stort sett bare er store luftmasser (vinder) som "merker" den. Selv om noen kanskje hevder at vann som renner ut av en sentralt sluk i en vask alltid dreier i samme retning, så har forsøk vist at det ikke er tilfelle. Figuren til venstre viser et lavtrykk på nordlige og sørlige halvkule og luftmasser som trekkes mot sentrum i lavtrykket vil føle et stadig press til siden på grunn av korioliskraften. Dermed får luften en lengere veg (pilene) før den når fram til sentrum i lavtrykket. Det er da corioliskraften som er årsaken til "sidepresset" i disse tilfellene -  "høyrepress" på nordlig halvkule og "venstrepress" på sørlig halvkule.

En masse som beveger seg horisontalt på den nordlige halvkula vil føle en "uekte" kraft (corioliskraft) mot høgre.

 Det er da denne corioliskraften som er årsaken til at vindretningen rundt lavtrykk alltid har retning mot klokka på den nordlige halvkulen

Skyer og fuktig luft som treffer fjellformasjoner vil bli presset oppover og bli avkjølt. Det betyr at endel vann vil falle ned som regn under oppstigingen.

Noen svar på hvorfor-spørsmål

Hvorfor regner det mye på vestlandet?
Dette og mange andre spørsmål kan da besvares ved hjelp av prinsippene som er nevnt ovenfor. Det vil relativt ofte være lavtrykk i norskehavet nordvest for landet vårt og da vil de styre en sør eller vestlig vind inn mot vestlandet (prinsipp 7). Den aktuelle luften kommer da ofte sørfra og inneholder relativt mye vanndamp. Når så denne luften treffer på fjellene vil den bli presset oppover. Da vil lufttrykket avta (mindre lufttrykk i høyden), luften utvider seg og blir kaldere (prinsipp 3) og vanndamp vil da gå over til vanndråper i form av skyer og regn (prinsipp 4).

Hvorfor kan vi få fønvind med temperaturer opp mot 20°C i vestlandsfjorder om vinteren?
Når det er vind fra øst med mye nedbør (snø eller regn) på Østlandet og i langfjellene, så betyr det at mye vanndamp går over til vann og senere snø og det medfører at det blir frigjort varme (prinsipp 1). Når så denne relativt varme luften (ca 0°C) går videre vestover vil den "ramle ned" i vestlandsdalene hvor det er høyere lufttrykk. Denne trykkøkningen vil da medføre en temperaturøkning (prinsipp 3) som kan gi tilnærmet sommetemperaturer om vinteren (fønvind).

Solgangsbris
Øverst: Luft varmes opp over land og stiger til værs. Luft strømmer da til fra det kaldere havet. Vi får derfor pålandsvind om dagen.
Nederst: Om havvluften holdes varmere enn luften over land, vil havluften stige og erstattes med kaldere landluft som strømmer til. Vi får derfor fralandsvind om natten.  

Hvorfor blir det på finværsdager ofte pålandsvind om ettermiddagen (solgangsbris)
På en solskinnsdag vil ofte temperaturen over landjorda bli høyere enn over havet fordi landjorda blir raskere oppvarmet av solstrålene. Den varme luften over landjorda vil da stige (prinsipp 5) og erstattes av kaldere luft fra havet. Dette kalles solgangsvind/bris. Om natten kan temperaturforholdene bli motsatt fordi landjorda avkjøles raskere enn havet og da vil kald landluft trekkes ut over havet og erstatte en varmere havluft som stiger til værs over havet.

Hvorfor blir det sterk vind i forbindelse med sterke lavtrykk
Jo sterkere et lavtrykk er,  jo sterkere blir vinden. Årsaken til sterk vind omkring lavtrykk er da på den ene siden en sirkelbevegelse av luft (prinsipp 7) som samtidig trekker seg sammen (prinsipp 8) og jo sterkere sammentrekkingen er (jo sterkere lavtrykket er) jo raskere vil luften dreie.

Temperatur er en viktig faktor som bestemmer klima, og helningen mellom bakken og solstrålene er avgjørende for hvor varmt det blir ulike steder

Temperatur

Temperaturen på jorda er i stor grad bestemt av sola. Vi har årstidsvariasjoner og døgnvariasjoner samt variasjoner i forhold til værtype og høyde over havet. Sammenhengen mellom temperatur og andre faktorere er sentralt i et opplegg om vær. Temperatur kan måles med et termometer, og enheten er vanligvis grader Celsius (° C).Vi mennesker er utstyrt med varmefølsomme celler, og kan derfor i en viss grad "føle" temperaturer uten termometer. Men her er det verd å merke seg at sansene våre kan tilpasse seg ulike forhold. En eskimo og en afrikaner vil derfor sannsynligvis få problemer med å enes om hva som er en behagelig temperatur. Med en nedkjølt og en oppvarmet hånd vil vi også få problemer med å avgjøre om temperaturene er lik eller ulik i to beholdere.

Om vi antar at toppen av hodet vårt er ca 1dm³ så betyr det at lufttrykket på hodet vårt svarer til at vi har noe som veier ca100 kg på hodet.


Høytrykk er en følge av nedadgående luftstrømmer fra øvre luftlag. Dette er da relativt tørr luft og den tilhørende oppvaringen gir lite skyer. Lavtrykk er en følge av oppadgående luftstrømmer som innebærer avkjøling, skyer og regn. Luften som strømmer til fra omgivelsene for å erstatte den luften som stiger vil begynne å dreie og vi får ofte sterk vind omkring lavtrykk.

Lufttrykk

Lufttrykk er et annet grunnleggende begrep i forbindelse med vær. Fordi jorda er omgitt av et luftlag som trekkes mot jorda, vil luften øve et trykk mot alt som befinner seg på jordoverflata. Det er her snakk om svært store krefter. På ei flate på 1 kvaderatdesimeter(dm²) vil vi for eksempel ha et trykk som tilsvarer vekten av 100kg. Jo høyere vi kommer til fjells jo mindre blir trykket. Fordi vi og alle andre skapninger på jord er tilpasset lufttrykket på stedet, merker vi til daglig ikke noe spesielt til det. Men om trykket stiger eller synker relativt raskt ved at vi i bil/fly minker eller øker høyden over havet kan vi kjenne dette som ubehag i f.eks. ører. Ellers er vi ikke utstyrt med sanseceller som registrer trykk. Det er kanskje derfor lufttrykk oppleves som vanskelig å forstå av mange.

Høytrykk og lavtrykk
Når luften fra et større område forsvinner opp i høyere luftlag sier vi at vi får et lavtrykk ved bakken og my luft vil da strømme til fra andre områder. I denne sammenhenggen vil også luftmassene ved jorda begynne og dreie og en kombinasjon av dreiing og samling i et område vil gi mye vind (prinsipp 6 og 7).

Når væske går over til gass kalles det fordamping, mens den omvendte prosessen kalles kondensering

Luftfuktighet

Luft består av ulike gasser samt diverse molekyler av andre stoffer. Vann er vanligvis væske, men kan som kjent fordampe og inngår derfor også i det vi kaller luft. Det betyr at enkeltmolekyler river seg løs fra en vannmengde og blander seg med luften. Det er grenser for hvor mye vannmolekyler vi kan få oppløst i luft. Når grensa er nådd får vi dannet vanndråper som tåke/skyer eller dugg. Jo varmere luften er jo flere vannmolekyler kan den inneholde. Om temperaturen til luft avtar vil vi før eller siden nå en grense hvor luften ikke kan holde på alle vannmolekylene. Vi får da utfelt vanndråper som er synlige som skyer/tåke eller dugg (på gjenstander). Dette kalles kondensering og er det motsatte av fordampning. Den aktuelle temperaturen hvor dette skjer kalles doggpunkt. Luftfuktighet kan måles ved hjelp av et hygrometer. Dette viser da hvor mye vann luften inneholder i forhold til det maksimale innholdet ved aktuelle temperatur (relativ luftfuktighet). Luftfuktighet oppgies i % av maksimal luftfuktighet ved den aktuelle temperaturen. Det vil si at luftfuktigheten er 100% ved doggpunkt. Mangel på småpartikler som støv og liknende kan utsette konderseringen og vi kan da få en luftfuktighet på over 100%. Luftfuktigheten kan til en viss grad merkes da vi i fuktig vær lettere blir klam. Årsaken er at fuktig luft ikke klarer å ta opp den naturlige fordampningen fra kroppen og vi får derfor ikke den ønskede avkjølingen. Dette innebærer ofte at vi også vil svette mer enn normalt. I tørt vær vil vi ofte merke at vi blir tørr i halsen fordi de fuktige slimhinnene her tørker opp for raskt. Kurven ovenfor viser hvor mye vann luft kan oppta ved forskjellige temperaturer. Denne kurven kan vi bruke for å finne hvor mye vann (målt i g) som er oppløst i luften i f.eks. klasserommet. Anta at vi f.eks. måler 75% luftfuktighet med et hygrometer og 20° C med et termometer. Vi antar videre at klasserommets volum er 100m³ (5m× 8m× 2,5m). Avlesing på tabellen gir 14g/m³ og totalt vil vanninholdet i luften bli: 14g/m³× 100m³=1,4kg. Det er med andre ord 1,4 liter vann i luften.

Resultat av sterk vind

Vind og skytyper

Vind er luftmasser som forflytter seg. Vindhastighet kan måles og benevningen er vanligvis Beaufort eller m/s. Det finnes ulike typer vindmålere å få kjøpt. Litt øving i å observere vindens virkninger, kan være en god erstatning når vi skal bestemme vindstyrke. Det er da snakk om å sammenlikne det vi oppserverer med skriftlige beskrivelser av hva som skjer ved ulike vindstyrker. Se vindskalaen under.