Wolke

Grundlagen

Eine Wolke ist eine Ansammlung sehr feiner Wassertröpfchen oder Eiskristalle in der Atmosphäre der Erde. Wasserdampf selbst ist unsichtbar; sichtbar werden Wolken erst, wenn Licht an den Tröpfchen oder Kristallen gestreut wird. Dabei spielt die Mie-Streuung eine wichtige Rolle, durch die der Tyndall-Effekt auftritt.

Wolken entstehen, bewegen sich und lösen sich in den Strömungen der Atmosphäre auf. Da Windrichtung und Windstärke in verschiedenen Höhen unterschiedlich sein können, bewegen sich Wolken in verschiedenen „Etagen“ oft verschieden. Die meisten Wolken befinden sich in der Troposphäre, einige auch in der Stratosphäre oder Mesosphäre, zum Beispiel leuchtende Nachtwolken.

Wolken sind für die Wetterbeobachtung wichtig, weil Form, Aussehen, Höhe und zeitliche Veränderung Hinweise auf die lokale Wetterentwicklung geben. Außerdem sind sie bedeutend für den Strahlungshaushalt der Erde, die Verteilung von Niederschlag, den Wasserkreislauf und die Atmosphärenchemie.

Entstehung und Bestandteile

Eine Wolke besteht aus einem Aerosol, also aus fein verteilten Teilchen im Gasgemisch Luft. Die Wassertröpfchen bilden sich um Kondensationskerne herum, wenn die relative Feuchtigkeit der Luft 100 % geringfügig, höchstens um etwa 1 %, übersteigt. Kondensationskerne können zum Beispiel Staub, Pollen, Pilzsporen, Asche, Salzkristalle aus Meeresgischt, Abgase, Teilchen aus Industrie und Landwirtschaft oder durch kosmische Strahlung entstandene Teilchen sein. Sie sind elektrostatisch aufgeladen und etwa 1 nm bis 1000 nm groß.

Wolkenbildung geschieht durch Kondensation oder Resublimation von Wasserdampf an solchen Kernen. Kondensation bedeutet, dass Wasserdampf zu flüssigen Tröpfchen wird; Resublimation bedeutet, dass Wasserdampf direkt zu Eis wird. In der Troposphäre und teilweise in der Stratosphäre entstehen Wolken vor allem, wenn Luft aufsteigt und sich abkühlt, etwa durch Thermik, Hangaufwinde, das Aufgleiten an anderen Luftschichten oder Fronten. Auch die Zufuhr kälterer oder feuchterer Luftmassen kann Wolkenbildung fördern.

Entscheidend ist das Verhältnis von Kondensation und Verdunstung: Nur wenn sich an einem Tropfen mehr Wassermoleküle anlagern, als ihn verlassen, wächst er. Begünstigt wird dies durch niedrige Temperaturen und hohen Wasserdampfdruck, also hohe relative Luftfeuchtigkeit. Die Temperatur, bei der Kondensation und Verdunstung im Gleichgewicht sind, heißt Taupunkttemperatur. Die Höhe, in der diese Bedingungen erreicht werden, heißt Wolkenkondensationszone. Der zugehörige Gleichgewichtsdruck heißt Sättigungsdampfdruck.

Flüssige Wolkentröpfchen haben meist Durchmesser von zwei bis zehn Mikrometern; in Regenwolken können Tropfen bis etwa zwei Millimeter groß werden. Im Text werden für Regenwolken außerdem Tropfen bis 3 mm erwähnt. Unter 0 °C können Tröpfchen noch flüssig bleiben. Bis etwa −12 °C bilden sich häufig noch keine Eiskristalle; solche Tröpfchen heißen unterkühlte Wassertropfen. Mit sinkender Temperatur nimmt der Eisanteil zu, und bei etwa −40 °C liegen nur noch Eiskristalle vor. Große Regentropfen und Hagelkörner entstehen nur, wenn starke Aufwinde der Schwerkraft entgegenwirken.

Klima, Strahlung und Wasserkreislauf

Wolken beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde stark und damit auch die Lufttemperatur. Tagsüber kann eine Wolkendecke Sonnenstrahlung abschirmen: Die Globalstrahlung sinkt, es steht weniger Energie für die Erwärmung der Luft und für die Photosynthese der Pflanzen zur Verfügung, und es wird spürbar kühler. Nachts wirkt eine Wolkendecke anders: Sie hält einen Teil der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung zurück. Deshalb kühlt es in klaren Nächten stärker ab als in Nächten mit geschlossener Wolkendecke.

Besonders deutlich ist das in Wüsten, wo Wolken selten sind. Dort kann nachts viel Wärme ins Weltall abgestrahlt werden, weshalb die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht in Trockengebieten hoch sind.

Eine wichtige Eigenschaft von Wolken ist die optische Dicke. Sie beschreibt, wie viel Sonnenstrahlung durch eine Wolkendecke hindurchdringt und wie viel absorbiert oder reflektiert wird. Sie hängt unter anderem von der vertikalen Ausdehnung der Wolke, der Größe und Verteilung von Tröpfchen oder Eiskristallen sowie der Menge und Verteilung der Wolken ab. Im langjährigen globalen Mittel strahlen Wolken 20 Prozent der kurzwelligen Sonneneinstrahlung direkt zurück und absorbieren drei Prozent.

Im Wasserkreislauf vermitteln Wolken zwischen Verdunstung und Niederschlag. Die Wassermenge, die in Wolken enthalten ist, ist im Verhältnis zu den gesamten Wasservorkommen der Erde klein, wird aber schnell umgesetzt.

Aussehen und Klassifikation

Das Aussehen einer Wolke hängt von Art, Größe, Anzahl und räumlicher Verteilung ihrer Bestandteile ab. Dazu kommen Intensität und Farbe des einfallenden Lichtes sowie die Stellung von Beobachter, Wolke und Lichtquelle. Beschrieben werden Wolken nach Größe, Gestalt, Grob- und Feinstruktur, Helligkeit und Farbe. Bei hohem Sonnenstand erscheinen Wolken in direktem Sonnenlicht weiß oder grau. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang können sie gelb, orange oder rot wirken, weil der lange Weg des Lichtes durch die Atmosphäre vor allem blaue Lichtanteile seitlich wegstreut. Nachts erscheinen Wolken meist schwarz bis grau, außer sie werden vom Mond oder künstlichem Licht beleuchtet.

Die internationale Wolkenklassifikation wird von der World Meteorological Organization im Internationalen Wolkenatlas geregelt. Sie ordnet Wolken vor allem nach dem Erscheinungsbild und der Höhe ihrer Untergrenze. Es gibt vier Wolkenfamilien: hohe, mittelhohe, tiefe und vertikale Wolken, die sich über mehrere Stockwerke erstrecken. Die Höhenbereiche hängen von der geographischen Breite ab: Hohe Wolken liegen in Polargebieten etwa bei 3 bis 8 km, in gemäßigten Breiten bei 5 bis 13 km und in den Tropen bei 6 bis 18 km. Mittelhohe Wolken liegen etwa bei 2 bis 4 km, 2 bis 7 km beziehungsweise 2 bis 8 km. Tiefe Wolken liegen überall ungefähr bei 0 bis 2 km. Vertikale Wolken reichen in Polargebieten bis 8 km, in gemäßigten Breiten bis 13 km und in den Tropen bis 18 km.

Die zehn Gattungen sind Cirrus, Cirrocumulus, Cirrostratus, Altocumulus, Altostratus, Stratocumulus, Stratus, Cumulus, Nimbostratus und Cumulonimbus. Gattungen geben an, in welcher Höhe sich Wolken befinden und ob die Atmosphäre eher stabil oder labil geschichtet ist. Arten beschreiben inneren Aufbau und Gestalt; eine Wolke kann nur eine Art zugleich haben. Unterarten beschreiben Anordnung und Lichtdurchlässigkeit; mehrere Unterarten können zusammen auftreten, außer opacus und translucidus schließen einander aus. Sonderformen und Begleitwolken beschreiben zusätzliche Erscheinungen, zum Beispiel mamma, pannus, incus oder tuba. Mutterwolken geben an, aus welcher Wolkengattung eine neue Form entstanden ist, etwa Cirrus cumulonimbogenitus aus dem Amboss einer Cumulonimbuswolke.

Wetterbeobachtung und typische Abläufe

Wolken reagieren schnell auf ihre Umgebung. Deshalb lassen ihre beobachtbaren Eigenschaften Rückschlüsse auf Luftfeuchtigkeit, Stabilität der Atmosphäre, Aufwinde und Windverhältnisse in bestimmten Höhen zu. Der Bedeckungsgrad wird in der Meteorologie häufig in Achteln des Himmels angegeben, den Octa von 0 bis 8.

Bei Fronten treten fast immer Wolken auf. Eine langsam heranziehende Warmfront zeigt sich meist zuerst durch Cirrus oder Cirrostratus. Danach folgt Altostratus, schließlich Nimbostratus mit anhaltendem Regen. Nach Durchzug der Warmfront lockert die Bewölkung im Warmsektor oft auf, das Wetter bessert sich und es wird wärmer. Manchmal, besonders im Winter oder an Küsten, kann der Warmsektor aber mit tiefem Stratus gefüllt sein, aus dem leichter Regen oder Sprühregen fällt.

Eine Kaltfront zieht meist schneller, weil sich schwerere Kaltluft unter die Warmluft schiebt. Zunächst bilden sich vermehrt Cumuluswolken, die sich zu Cumulonimbuswolken verstärken können. Die Kaltfront selbst besteht häufig aus einer langen Kette intensiver Cumulonimbuswolken. Schwächere Kaltfronten zeigen eher Stratocumulus oder Cumulus. Nach dem Durchzug reißt der Himmel oft rasch auf, danach folgen in hochreichender Kaltluft wieder viele Cumulus- oder Cumulonimbuswolken mit Schauern und einzelnen Gewittern.

Gewitter und Stürme sind typisch mit Cumulonimbuswolken verbunden. Sie entstehen und verschwinden oft schnell. Besonders im Gebirge können isolierte Gewitter innerhalb einer Stunde auftauchen, abregnen und weiterziehen. Sehr große Cumulonimbuswolken, sogenannte Superzellen, können Wirbelstürme mit sich bringen; auch Böenfronten mit Roll- oder Shelf Clouds sind möglich.

Besondere Formen und Nutzung

Neben den klassischen Wolkengattungen gibt es besondere Wolkenformen mit eigenen Namen. Dazu gehören Mauerwolken, die für die Tornadoentstehung wichtig sind, künstliche Kondensstreifen von Flugzeugen, die als Cirrus homogenitus bezeichnet werden, und Bannerwolken an Gipfeln und Graten. Als Anomalien gelten sehr ungewöhnliche Wolken, die dem klassischen Modell widersprechen, zum Beispiel Polare Stratosphärenwolken, leuchtende Nachtwolken und Hole-Punch Clouds. Auch auf anderen Himmelskörpern gibt es Wolken, etwa auf der Venus und dem Saturnmond Titan; sie können unterschiedlich dicht sein und verschieden zusammengesetzt sein.

Wolken werden auch zur Wassergewinnung genutzt. In Chungungo in Chile wurden Kunststoffnetze aufgestellt, an denen sich feine Wassertröpfchen aus Wolken verfangen. Das Wasser rinnt ab und wird über sieben Kilometer lange Rohrleitungen in die Stadt geleitet; bis zu 110.000 Liter können täglich gewonnen werden. Am 16. Oktober 2018 wurde in Marokko am Mount Boutmezguida eine Nebelfanganlage eingeweiht. Sie hat 1.620 m² Auffangfläche, versorgt 15 umliegende Dörfer mit Trinkwasser und liefert an nebelreichen Tagen bis zu 36.000 Liter Wasser.

In der Forschung wurden Wolken unter anderem durch James Pollard Espy untersucht, der die Thermodynamik der Wolkenbildung weitgehend korrekt beschrieb, indem er die Rolle der latenten Wärme, heute Umwandlungsenthalpie genannt, bei der Kondensation berücksichtigte. In Deutschland steht am Karlsruher Institut für Technologie die Wolkensimulationskammer AIDA für Wolkensimulationsexperimente zur Verfügung.