Klima in Städten

Basis

2. Stadtklima  -  Wind in der Stadt

Arbeitsblatt 3: Experimente zum Wind in Städten

1. Wind in der Stadt

In der Stadt kommt es durch die stärkere Erwärmung der Luft besonders an Sommertagen zur Ausbildung einer Zone niedrigen Luftdrucks (Hitzetief) im Stadtzentrum. Das Umland hingegen erwärmt sich langsamer, die Luft steigt nicht so schnell vom Boden auf, dort entsteht ein 'Kältehoch'.

Am Erdboden beginnt die Luft vom Freiland in Richtung Stadtmitte zu strömen. Der Wind folgt dabei den Hauptverkehrsstraßen und nimmt in der Stadt um bis zu 50% ab. Innerhalb der Stadt kann der Wind an Straßenecken, Plätzen und Häuserecken wieder um 20% zunehmen. Dieser wird dort böig und verwirbelt (vgl. Gewittersturm über Berlin im August 2002). In der Stadtmitte erwärmt sich die Luft besonders stark, steigt an den Häuserfronten auf, erreicht höhere Atmosphärenschichten und strömt dann in Richtung Freiland. Dort angekommen, sinkt die Luft ab und kühlt weiter aus. Der Kreislauf setzt sich fort.

Vergleichen lässt sich der Land-Stadtwind mit dem tropischen Luftkreislauf in den Hadley-Zellen oder der Land-Seewindzirkulation. Frage deinen Erdkundelehrer!

2. Experiment

Wie der Wind in einer Häuserschlucht verwirbelt, kannst du im Versuch selber ausprobieren.

2.1 Sicherheitshinweis

- Führe die Versuche nur im Physik- oder Chemiesaal oder draußen in einer Sandschale durch!
- Bei den folgenden Versuchen muss ein Erziehungsberechtigter (Mindestalter 18 Jahre) anwesend sein!
- Halte dich an die Anweisungen, da ansonsten Lebensgefahr durch Feuer oder Strom droht!
- Halte Sand, eine Löschdecke und einen Feuerlöscher in unmittelbarer Nähe bereit!
- Lösche niemals mit Wasser sondern mit Sand, einer Löschdecke oder dem Feuerlöscher!
- Wenn du das Feuer nicht löschen kannst, verlasse das Haus und rufe die Feuerwehr!

 Was du für die Experimente brauchst:

1. Materialien für das Experiment (Foto: Gert Bauer)

Material:

1. Platte als Unterlage
2. Wolle, Schere, Kleber für die Windhosen an den Häuserfronten
3. Häuser aus kleinen und großen Kalksandsteinziegeln (bzw. Safttüten 1,5 l oder geleert und mit Wasser gefüllt)
4. Aluschale für das Brennmaterial
5. Anzünder, Tannenzapfen als Brennmaterial und Sprühflasche (um Tannenzapfen anzufeuchten) zur Rauchherstellung oder Verwendung von Räucherstäbchen
6. Fön und Aufsatz aus Papier für den Windkanal (der Aufsatz wird mit Tesafilm
   am Fön befestigt)
8. Tafel oder schwarzer Karton als Hintergrund

 2.2 Versuchsaufbau

2. Versuchsaufbau (Foto: Gert Bauer)

Unser vereinfachtes Modell Frankfurt besteht aus einer Häuserschlucht, einem sandigen Untergrund und einer schwarzen Platte als Hintergrund.
Wir haben Sand als Untergrund gewählt, da Sand nicht brennbar ist. Dasselbe gilt für die Sandsteinziegel.

2.3 Versuchsdurchführung:

1. Als Unterlage dient eine Kunststoffplatte oder Pappe (1m*60cm).
2.Windhosen zur Windmessung lassen sich leicht an den Außenseiten der Gebäude anbringen, je nach Windrichtung müssen diese auf der linken oder der rechten Seite angebracht werden; eventuell lassen sich kleine Styroporkügelchen oder Ascheteilchen vom Luftstrom mitreißen, womit eine Möglichkeit geschaffen wäre, den Luftstrom bzw. die Verwirbelungen des Windes sichtbar zu machen.
3. Anstelle von Modellbauten können große und kleine Safttüten 1,5 l bzw. leer plus Wasser oder Kalksandsteine verwendet werden
4. Die Straße kann mit hitzebeständiger Alufolie ausgelegt werden.
5. Rauch lässt sich z.B. mit Hilfe von Grillanzündern und Tannenzapfen herstellen. Oder man verwendet eine Disco-Nebelmaschine. (vgl. nachfolgendes Arbeitsblatt)
6. Ein Luftstrom entsteht, wenn man einen Fön (im Kaltluftbetrieb) mit einer Röhre aus Papier versieht; die meisten Fönapparate lassen sich stufenweise regeln, sodass die Windstärke je nach Bedarf reguliert werden kann. Als Alternative könnten wir auch einen Ventilator einsetzen, wobei der Luftstrom bei diesem Hilfsmittel zu diffus werden kann.
7. Mit der Sprühflasche werden die Tannenzapfen angefeuchtet.
8. Ein schwarzer Karton dient als Hintergrund.

Experiment 1

Zum einen soll getestet werden, wie der Wind an einem Hochhaus zirkuliert.
Entweder steigt der Wind an der Häuserfassade auf oder umrundet das Gebäude. Dabei nimmt die Windgeschwindigkeit um bis zu 20 % zu. Zuerst wird der Luftstrom mit dem Rauch auf die Längsseite des letzten hohen Gebäudes in der Häuserreihe gerichtet. Die Öffnung der Windmaschine wird  auf der Höhe des Dachfirsts in etwa 30 – 50 cm Entfernung positioniert, sodass der Wind über das Hausdach streicht. Je nach Bedarf kann der Abstand zum Haus verringert werden, um die ideale Position zu finden.

Jetzt kann der Winkel des Luftstroms zum Gebäude um bis zu 45 ° geändert werden.
Anschließend wird der Luftstrom mit der Rauchquelle auf die Breitseite des Gebäudes gerichtet und die gleiche Prozedur beginnt von neuem.

Klicke auf den Link unter dem "movie" Symbol, um einen kurzen Film über den Luftstrom an einem Gebäude zu sehen. (erstellt von G. Bauer and B. Wohlhöfer)

Achtung: 
Falls du nichts sehen kannst, installiere bitte zunächst den Microsoft Media Player (TM) oder den RealPlayer (TM).
Wenn du ein langsames Modem hast, ist es besser, wenn du die Datei zunächst auf deiner Festplatte speicherst und dann anschaust. Bei einer schnellen Internetverbindung kannst du den Film direkt anschauen.

5.  Luftstrom an einem Gebäude (Foto: Gert Bauer) 

Klicke auf den Link unter dem Symbol "movie", um einen Film des Experiments zu sehen! (Erstellt von G. Bauer and B. Wohlhöfer)

 Experiment 2

Zum anderen soll getestet werden, wie der Wind über die hintere Häuserreihe (Hochhäuser) streicht und im Windschatten verwirbelt. Dabei muss der Wind parallel zur Häuserreihe wehen.

In diesem Fall muss sich die Rauchquelle vor der Längsseite  des ersten Gebäudes befinden. Die Öffnung der Windmaschine wird  auf der Höhe des Dachfirsts in etwa 30 – 50 cm Entfernung positioniert, sodass der Wind über die Hausdächer streicht. Nun weht der Wind über die Hausdächer und verwirbelt im Windschatten oder umweht die Häuserreihe.

8.  Vereinfachter Luftstrom an einer Häuserreihe (Foto: Gert Bauer)

Klicke auf den Link unter dem Symbol "movie", um einen Film des Experiments zu sehen! (Erstellt von G. Bauer and B. Wohlhöfer)

Experiment 3

Wichtig für dieses Experiment ist, dass die Häuserreihe im Hintergrund etwa dreimal größer ist, als die im Vordergrund und dass etwa in der Mitte der Versuchsanordnung eine Art Platz geschaffen wird. Es geht uns insbesondere darum, zu zeigen, wie der Wind in der Stadt an Häuser- und Straßenecken sowie Plätzen weht und dass er dort um bis zu 20 % zunimmt.
Der Wind kommt von links in den urban canyon. In unseren Vorversuchen am Minimodell sind wir zu der Erkenntnis gelangt, dass die stärksten Verwirbelungen auftraten, wenn wir den Rauchnebel im 45° Winkel zur Straße in Richtung der großen Hochhäuser in die Straßenschlucht einleiteten.

Wenn du mit dem Versuch schneller fertig bist, kannst du dir unseren Film dazu anschauen!

10.  Luftstrom in einer Häuserschlucht (Foto: Gert Bauer)

Klicke auf den Link unter dem Symbol "movie", um einen Film des Experiments zu sehen! (Erstellt von G. Bauer and B. Wohlhöfer)

Spreche mit deinem Physik- und Chemielehrer über die Versuche!

3. Bedeutung von Wind in Städten

3.1 Testphasen im Windkanal

Bevor neue Viertel einer Stadt gebaut werden, wird zunächst im Windkanal getestet, wie sich der Luftstrom verhalten wird und ob an den Häuserecken starke Windboen entstehen, die vermieden werden sollten. Das Foto zeigt ein Windkanal-Modell des Potsdamer Platzes in Berlin.

12.  Foto: E. Uherek in der Klimaaustellung des Deutschen Museums / München
Bitte zum Vergrößern anklicken!

Die wichtigsten Parameter, die den Effekt des Windes in Städten beeinflussen, sind das Windprofil und die Struktur der Oberfläche. Innerhalb eines Windkanals können diese Parameter simuliert werden. Mit der Hilfe dieser Simulation können somit ganze Stadtgebiete oder einzelne Gebäude detailliert getestet werden.

Das Ergebnis eines Windkanal-Test kann folgendermaßen aussehen:

13.  Bebauungsplan eines neues Viertels, das die Bereiche erhöhter Windgeschwindigkeit in den Farben rot, gelb und lila zeigt. Autor: Mr. Müller, Stuttgart, Quelle: www.stadtklima.de/stuttgart/websk21/Heft13/kap3.HTM
Bitte zum Vergrößern anklicken!

Weitere Links:

www.ruscheweyh.de/bauwesen.php
www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

3.2. Windlast auf einem Gebäude:

Die Windlast auf einem Gebäude schwankt zeitlich und räumlich. Sie wirkt direkt auf die äußere Oberfläche geschlossener Gebäude und indirekt durch Tür- und Festeröffnungen auf die inneren Wände, abhängig von der vorherrschenden Windrichtung und Windgeschwindigkeit.

Die folgende Animation von der Gesellschaft für Aerophysik zeigt den Wechsel der Windlast:

14.  Windlast auf einem Gebäude, Autor: Gesellschaft für Aerophysik mbH, Munich, Quelle der Animation: www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

Anforderungen an ein Modell:

Sollen die Wirkungen des Windes untersucht werden, so sind die wichtigsten Parameter wie Windprofil und Struktur der Oberfläche ähnlich nachzubilden.
Der Aufbau der atmosphärischen Modellgrenzschicht im Windkanal ist Ergebnis einer jahrzehntelangen Forschung. Das Resultat ist eine Kopie des natürlichen Windes. Die Modellierung im Maßstab 1:333 bis 1:750 gestattet ganze Stadtmodelle oder Einzelbauwerke detailliert zu untersuchen.

Weitere Links zu Seiten mit Hochhäusern (Deutsch oder Englisch):

www.skyscrapers.com/re/en/
www.skyscrapers.com/re/ge/

About this page:

- Author: G. Bauer, B. Wohlhöfer- University of Nürnberg - Germany
- educational reviewing: Prof. Dr. Schrettenbrunner, J. Heres
- last update: 09.09.03