Wolken und Niederschlag: Erklärungen – Wolkenbildung und Entstehung des Regens
Dass der Regen aus Wolken kommt – weiß wohl jedes Kind. Aber wo und wie entstehen die Wolken und der Niederschlag?
Seit jeher beschäftigen sich Menschen (Meteorologen) mit dem Wetter – also mit physikalischen und chemischen Prozessen der Atmosphäre, sowie mit den Eigenschaften und Ursachen des Wettergeschehens und dessen Zusammenhänge der atmosphärischen Zustandsänderungen.
Allgemein versteht man unter Wetter den augenblicklichen Zustand der Atmosphäre, wie sich dieser an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit beschreiben lässt. Betrachtungsgegenstand ist die Troposphäre. Dabei benutzen die Meteorologen zur Beschreibung des Wetters die grundlegenden Klimaelemente wie Luftdruck, Temperatur, Niederschlag und Bedeckungsgrad des Himmels (Wolken).
Wolken und Niederschlag: Wolkenbildung, Wolkentypen und die Entstehung des Regens
So könnte eine Wettervorhersage wie folgt lauten: „Die kommenden Tage werden von einem neuen Hoch bestimmt, welches für milde Temperaturen und trockenes Wetter sorgt. Doch aktuell lässt sich das Wetter eher als „Schmuddelwetter“ bezeichnen.“ Trockenes Wetter bedeutet, es soll nicht regnen.
Von schmuddeligem Wetter spricht man allerdings, wenn es kalt und der Himmel grau ist – es könnte regnen, muss aber nicht. Doch woher kommen die Wolken und welche Wolken bringen Niederschlag mit und welche verdecken einfach nur den Himmel? Und wie entsteht überhaupt Niederschlag – also Regen, Schnee und Hagel usw. – in den Wolken?
Wolken…
sind das Ergebnis der Kondensations- (Übergang eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Zustand – z. B. Verdichtung von Gas, Dampf zu Flüssigkeit) oder Sublimationsvorgänge (Prozess des unmittelbaren Übergangs eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand, ohne sich vorher zu verflüssigen) in der Atmosphäre (mit Sonderform des Nebels).
Sie bestehen laut Definition aus einer Ansammlung von winzigen, aber sichtbaren, in der Luft schwebenden Wasser- oder Eisteilchen beziehungsweise von beiden. Die Wassertröpfchen bilden sich um Kondensationskerne herum, wenn die relative Feuchtigkeit der Luft 100 Prozent geringfügig – um höchstens 1 Prozent – übersteigt. Dies kann entweder durch Abkühlung der Luft beim Aufsteigen – zum Beispiel beim Aufgleiten an anderen Luftschichten, am Berghang – oder beim Durchmischen zweier Luftmassen geschehen.
Sichtbar sind die Wolken deshalb, weil sie im Gegensatz zu den Luftmolekülen oder Dunstpartikeln so groß geworden sind, dass sie alle Wellenlängen des Lichtes gleichmäßig diffus reflektieren – also in der Ansammlung weiß erscheinen. Und schweben können sie deshalb, weil anderseits ihre Masse noch so klein ist, dass Reibungswiderstand beim Absinken und Auftrieb durch vertikale Luftströme ein Ausfallen verhindern. Doch Wolken sind nicht gleich Wolken, denn es gibt verschiedene Arten.
Wolken: Diese Wolkentypen gibt es
Wie genau sie aussehen, ist aber meistens unterschiedlich und kann sich schon innerhalb weniger Stunden verändern. Anhand der Höhe, in denen Wolken vorkommen, kann man vier Wolkenfamilien unterscheiden. Je nach ihrer Form werden sie weiter in zehn Wolkengattungen eingeteilt, die oft als Wolkentypen bezeichnet werden. Eine weitere Untergliederung der zehn Wolkentypen sind die verschiedenen Wolkenarten. Davon gibt es insgesamt 27 Stück, wie studyflix.de berichtet. Wie bereits erwähnt, lassen sich Wolkenfamilien anhand der Höhe vornehmen, in denen sie auftreten:
Hohe Wolken findest du etwa 5 bis 13 Kilometer hoch in der Atmosphäre. Sie bestehen aus kleinen Eiskristallen, weil die Temperaturen dort weit unter dem Gefrierpunkt liegen (-60 Grad bis -20 Grad). Zu den hohen Wolken gehören die Wolkentypen: Cirrus-, Cirrocumulus- und Cirrostratus-Wolken. Sie bilden sich häufig an sonnigen Tagen und werden deshalb als „Schönwetterwolken“ bezeichnet.
Mittelhohe Wolken befinden sich in einer Höhe von 2 bis 7 Kilometern. Auch dort ist es sehr kalt (-30 Grad bis 0 Grad), weshalb sie meistens aus Eiskristallen bestehen. Zu mittleren Wolken zählen die Wolkentypen: Altocumulus- und Altostratus-Wolken. Dabei handelt es sich um größere Wolkenhäufchen, oder um Schichtwolken, die nur wenig Sonnenschein durchlassen. Häufig treten sie bis zu 24 Stunden vor einem Umschwung zu schlechtem Wetter auf.
Tiefe Wolken befinden sich in einer Höhe von 0 bis 2 Kilometern. Hier liegt die Lufttemperatur zwischen +15 Grad und 0 Grad, weshalb die Wassertröpfchen meistens flüssig sind. Bei 0 Grad können sich aber auch Schneekristalle in den Wolken bilden. Dazu gehören die Wolkentypen: Stratocumulus- und Stratus-Wolken. Während Stratocumulus einen Wetterumschwung ankündigt, stehen Stratus-Wolken eher für eine ruhige Wetterlage.
Vertikale Wolken erstrecken sich über mehrere Höhenbereiche. Deshalb sind auch ihre Temperaturen sehr unterschiedlich und können zwischen -60 Grad und +15 Grad liegen. Je nach Höhe können sie deshalb Eiskristalle oder flüssige Wassertröpfchen enthalten. Dazu zählen die Cumulus-, Nimbostratus- und Cumulonimbus-Wolken, weil sie sich über mehrere Höhenbereiche erstrecken. Weil in den verschiedenen Höhenabschnitten jeweils unterschiedliche Temperaturen herrschen, bestehen die vertikalen Wolken teilweise aus Eiskristallen und Wassertröpfchen. Konkret handelt es sich also um typische Regen- und auch Gewitterwolken. Ausnahme: Cumuluswolken.
So entstehen und sehen die Wolken aus – und wie jeder weiß, sind Wolken für Bildung von Niederschlag verantwortlich.
Niederschlag: Niederschlagsbildung – Koagulation
In den mittleren Breiten kann Niederschlag durch zwei Prozesse gebildet werden: durch das Zusammenwachsen kleiner Wassertröpfchen (Koagulation) und durch das Wachsen von Wasserkristallen (Bergeron-Findeisen-Prozess). Die Kondensation, die Aggregatzustandsänderung von Wasserdampf zu Wasser, lässt sehr kleine Tröpfchen entstehen, die durch die Aufwinde in den Wolken verwirbelt werden, aber nicht nach unten sinken. Aufwinde verwirbeln die Wassertropfen, die dadurch aufeinander prallen und sich zu größeren Tropfen mit höherem Gewicht verbinden. Schwere Tropfen, deren Fallgeschwindigkeit größer ist als der Aufwind, können als Niederschlag zur Erde fallen.
Der Niederschlag, der durch den Koagulationsprozess gebildet wird, weist eine kleine Tropfengröße auf und fällt als Nieselregen aus gering mächtigen Stratus- oder Cumuluswolken.
Niederschlagsbildung: Bergeron-Findeisen-Prozess
Der zweite Prozess, der Niederschlagsbildung, wird auch als Bergeron-Findeisen-Prozess bezeichnet und tritt in Mischwolken auf – die sowohl Wassertröpfchen als auch Einkristalle enthalten. Staub- oder Aerosolpartikel in der Wolke stellen Eiskerne dar, an die sich unterkühlte Wassertropfen anlagern, die vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergehen. Auch Wasserdampf kann – ohne zunächst flüssig zu werden – sofort gefrieren.
Über den entstandenen Eiskristallen ist der Dampfdruck sehr niedrig, so dass sich Wasserdampf oder weitere Wassertropfen anlagern können. Dadurch wachsen die Eiskristalle und werden immer schwerer und sinken schließlich zur Erde. Erreichen sie dabei wärmere Luftschichten, tauen sie auf und fallen nicht mehr als Schnee, sondern als großtropfiger Regen.
Niederschlag, der in der Eisphase entstand, bildet sich vor allem in mächtigen Cumulonimbuswolken.
Cumulonimbuswolken entstehen vor allem dann, wenn Luftmassen hoch aufsteigen können. Dies ist besonders im Sommer der Fall, wenn die Erdoberfläche die darüber liegenden Luftschichten aufheizt und diese – wegen der geringen Dichte von Warmluft gegenüber der darüberliegen kälteren Luft – aufsteigt. Der Aufstieg erwärmter Luftmassen wird als Konvektion bezeichnet und die Niederschläge, die dadurch entstehen, als konvektive Niederschläge.