Die Wolken

Mikrophysik: wie eine Wolke Regen macht

Eine Wolke ist ein Volk aus Milliarden Tröpfchen und Kristallen, jedes von wenigen Mikrometern. Was entscheidet, ob sie eine bloße Wolke bleibt oder Regen gibt, spielt sich auf dieser winzigen Skala ab: das ist die Mikrophysik.

Nukleation: die Geburt der Tröpfchen

Der Wasserdampf kondensiert nicht im Leeren: er braucht einen Träger, ein winziges schwebendes Teilchen namens Kondensationskern (Staub, Meersalz, Verschmutzung). Die Eiskristalle erfordern Eiskeime, die viel seltener sind. Deshalb kann das Wasser mangels Keimen unterkühlt flüssig bleiben, das heißt flüssig unter 0 °C, bis etwa -38 °C.

Wachsen bis zum Fallen

Ein Wolkentröpfchen ist tausendmal zu klein zum Fallen: es wächst zunächst langsam durch Kondensation, dann, in warmen Wolken ohne Eis, durch Kollisions-Koaleszenz, wenn die großen Tropfen die kleinen einholen und aufnehmen. In kalten Wolken übernimmt ein wirksamerer Mechanismus.

Der Bergeron-Prozess

In einer Mischwolke, wo Eis und unterkühltes Wasser koexistieren, ist der Sättigungsdampfdruck über Eis niedriger als über flüssigem Wasser. Die Kristalle fangen also den Dampf auf Kosten der verdunstenden Tröpfchen: die Kristalle wachsen, werden zu Flocken, fallen und schmelzen oft zu Regen vor dem Boden. Das ist der Bergeron-Prozess, der Hauptregenmacher in mittleren Breiten, selbst im Sommer.

Die zehn Wolkengattungen, eine nach der anderen

Die internationale Klassifikation teilt die Wolken in zehn Gattungen, gruppiert nach Höhenstockwerk. Für jede zählen drei Fragen: in welcher Höhe befindet sie sich, woraus besteht sie, und welches Wetter kündigt sie an oder bringt sie hervor?

Oberes Stockwerk (5 bis 13 km): die Eiswolken

Der Cirrus (Ci) bildet dünne weiße Fäden aus Eiskristallen; er gibt keinen Regen, kündigt aber, indem er den Himmel allmählich überzieht, oft eine Störung in 12 bis 24 Stunden an. Der Cirrocumulus (Cc) zeichnet kleine regelmäßige Flöckchen, einen feinen Schäfchenhimmel, Zeichen von Instabilität in der Höhe. Der Cirrostratus (Cs) ist ein milchiger, durchscheinender Schleier, der den ganzen Himmel bedeckt und einen Halo um Sonne oder Mond bildet, ein klassisches Vorzeichen kommenden Regens.

Mittleres Stockwerk (2 bis 7 km)

Der Altocumulus (Ac) erscheint in Bänken grauer und weißer Ballen; aufquellende Altocumulus an einem Sommermorgen verraten eine Instabilität, die am Nachmittag Gewitter bringen kann. Der Altostratus (As) ist ein gleichmäßiger grauer Schleier, durch den die Sonne wie hinter Milchglas erscheint; er verdickt sich bei Annäherung einer Warmfront und kündigt anhaltenden Regen an.

Unteres Stockwerk (vom Boden bis 2 km)

Der Stratocumulus (Sc), sehr häufig, bildet eine Schicht ausgebreiteter grauer Ballen, die graues, bedecktes Wetter gibt, manchmal Nieselregen. Der Stratus (St) ist eine tiefe, gleichmäßige graue Schicht, wie angehobener Nebel, die Nieselregen gibt; Nebel ist übrigens nichts anderes als ein Stratus am Boden. Der Nimbostratus (Ns), dicke dunkelgraue Schicht ohne Struktur, ist die Wolke des anhaltenden und langdauernden Regens oder Schnees: die echte Schlechtwetterwolke.

Mit vertikaler Entwicklung

Der Cumulus (Cu) ist eine aufquellende Wolke mit flacher Basis: klein, der Cumulus humilis, zeigt er schönes Wetter; groß und blumenkohlförmig, der Cumulus congestus, kann er Schauer geben. Der Cumulonimbus (Cb) ist sein Höhepunkt: ein gigantischer Turm, der von einigen Hundert Metern bis zur Tropopause reicht, gekrönt von einem Amboss. Er allein bringt die Gewitter, den Hagel, den Blitz, die Böen und manchmal die Tornados hervor.

• Cirrus (Ci): Eisfäden, sehr hoch, kündigen eine Störung an
• Cirrocumulus (Cc): feiner Schäfchenhimmel, Instabilität in der Höhe
• Cirrostratus (Cs): Schleier mit Halo, Regen in 12 bis 24 h
• Altocumulus (Ac): Bänke mittlerer Ballen, Gewitter am Nachmittag möglich
• Altostratus (As): grauer Schleier, nahender anhaltender Regen
• Stratocumulus (Sc): tiefe ausgebreitete Ballen, graues Wetter, Nieselregen
• Stratus (St): tiefe gleichmäßige Schicht, Nieselregen, hoher Nebel
• Nimbostratus (Ns): anhaltender und langdauernder Regen oder Schnee
• Cumulus (Cu): aufquellend mit flacher Basis, von schönem Wetter bis Schauer
• Cumulonimbus (Cb): Gewitterturm, Hagel, Blitz, Böen, Tornados

Konvektion, Cumulonimbus und Wolken, die sprechen

Die Konvektion, dieses Aufsteigen der warmen und feuchten Luft, formt die spektakulärsten Wolken. Einige Schlüsselgrößen erlauben, ihre Stärke vorherzusehen.

Wolkenbasis und Energie: LCL, CAPE und CIN

Ein aufsteigendes Luftpaket kühlt ab und kondensiert am Hebungskondensationsniveau, dem LCL, das die Basis der konvektiven Wolken festlegt. Die Energie, die es beim Aufsteigen freisetzen kann, wird durch die CAPE gemessen, die verfügbare konvektive potentielle Energie: je größer, desto kräftiger die Aufwinde. Umgekehrt ist die CIN, die konvektive Hemmung, die Energie, die die Konvektion zunächst am Start hindert; es ist der Deckel, der, wenn er am Ende des Tages springt, manchmal explosive Gewitter freisetzt.

Anatomie des Cumulonimbus

Der Cumulonimbus beherbergt einen Aufwind, der das Gewitter speist, und einen Abwind, beladen mit Regen und kalter Luft, der sich am Boden in einer Böenfront ausbreitet. Seine Spitze, von der Tropopause gebremst, breitet sich zum Amboss aus; manchmal verrät eine überschießende Blase, der durchstoßende Gipfel, einen sehr heftigen Aufwind. Es ist die Fabrik von Hagel, Blitz und schweren Böen.

Orografische Wolken

Wenn eine stabile Strömung einen Berg überquert, wellt sie sich stromabwärts und bildet stationäre linsenförmige Wolken, unbeweglich trotz des Windes. Eine Wolke kann auch einen Gipfel wie ein Hut bedecken, man nennt sie dann Pileus.

Die Wolken, die sprechen

Manche Wolken sind wertvolle Hinweise. Der Arcus ist eine dunkle Rolle vor einem Gewitter, die die Böenfront sichtbar macht: der Windstoß steht bevor. Die Mammatus, hängende Taschen unter einem Amboss, deuten auf starke Turbulenz. Die Virga ist ein Niederschlagsschleier, der verdunstet, bevor er den Boden erreicht, Zeichen trockener Luft darunter. Diese Wolken lesen zu können bedeutet, auf sehr kurze Frist vorherzusagen, was man Nowcasting nennt.