Vom Molekül zum Regentropfen

In den Wolken spielen sich kompliziertere Prozesse ab, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Dabei ist das faszinierendste wohl das Phänomen des „unterkühlten“ Wassers: Denn noch bei Temperaturen von unter –40° Celsius können Regentropfen in den Wolken flüssig bleiben. Doch warum gefriert das Wasser nicht schon wie am Erdboden bei 0° Celsius und wieso ist das für die Niederschlagsbildung relevant?

Ohne Eis kein Regen

Wasser braucht zum Gefrieren eine Art „Geburtshelfer“, die so genannten Gefrierkerne. Diese sind ähnlich wie die Kondensationskerne winzige Partikel aus Staub, Salzkristallen oder sonstigen Verunreinigungen. An der Erdoberfläche wimmelt es nur so von diesen mikroskopisch kleinen Partikeln, in der Luft sind sie allerdings rar gesät. Daher ist es völlig normal, dass in einer Wolke mit lauter „gefrierwilligen“ Wassertröpfen nicht genug Kristallisationskerne vorhanden sind. Das Wasser wird gezwungen, flüssig zu bleiben. Doch diese kleinen Wolkentröpfen sind zu klein und leicht, um direkt als Niederschlag zur Erde zu fallen. Sie müssen zunächst gefrieren und anwachsen, um schwer genug zum „Herunterfallen“ zu werden.

Wolkenbildung © MMCD

Je tiefer die Temperatur, also je höher die Luftmassen steigen, desto einfacher wird es für die H2O-Moleküle, sich an die Gefrierkerne anzulagern. Sobald sich also in der Höhe die ersten Eiskristalle bilden konnten, wachsen diese rasend schnell an. Von nun an „saugt“ das Eis die Feuchtigkeit geradezu aus der Luft auf und lässt gleichzeitig weitere Wolkentröpfchen verdunsten. Durch diesen Prozess müsste die Wasserdampfsättigung der Luft eigentlich unter 100 Prozent sinken. Doch da H2O prinzipiell die vollständige Sättigung der Luft anstrebt, werden die unterkühlten Wolkentröpfchen zur weiteren Verdunstung gezwungen. Die dabei freigewordenen Moleküle lagern sich umgehend an den Eiskristallen an und der Prozess beginnt von Neuem. Eine Eiswolke entsteht.

Die Wolke im Kühlschrank

Einen vergleichbaren Prozess hat jeder vielleicht schon einmal im heimischen Kühlschrank beobachtet. Legt man ein frisches Stück Brot hinein, so ist es spätestens am nächsten Tag knochentrocken. Was ist passiert? Das im Brot enthaltene Wasser verdunstet, bis die Luftfeuchtigkeit im Kühlschrank 100 Prozent erreicht hat. Dieser Wasserdampf fühlt sich nun zum Eisfach hingezogen und lagert sich dort ab – die Eiskristalle wachsen und das Brot muss immer mehr Feuchtigkeit abgeben. Dies führt zu den bekannten Folgen, dass einerseits das Brot langsam austrocknet und andererseits das Eisfach immer mal wieder abgetaut werden muss. Im Vergleich mit der Niederschlagsentstehung übernimmt das Wasser im Brot die Rolle der Wolkentröpfchen und das Gefrierfach die der Eiskristalle.

Regen © IMSI MasterClips

Zurück zur Wolke: Denn hier verkleben nun die immer größer werdenden Eiskristalle untereinander und wachsen so zu Schneeflocken oder Graupelkörnern heran. Sobald die Schwerkraft die Stärke der Aufwinde übersteigt, sinken diese aufgrund ihres Eigengewichts zu Boden: es fällt Niederschlag. Generell gilt, dass fast jeder Regentropfen – auch an wärmsten Sommertagen – in der Höhe zuvor aus Eis bestanden hat. Eine Ausnahme von der Regel bildet lediglich der Nieselregen, der nicht durch die Eisphase in der Wolke entsteht, sondern durch das direkte Zusammenschmelzen von Wolkentröpfchen. Diese so genannte Koagulation ist aber ein sehr mühsamer und langwieriger Prozess, da sich das Tropfenwachstum und die gleichzeitige Verdunstung zumeist die Waage halten. Nur etwa 20 Prozent des mitteleuropäischen Regens entsteht ohne den „Umweg“ über diese Eisphase.

Ob der „normale“ Niederschlag aus Schnee und Hagel allerdings auch gefroren am Erdboden ankommt, hängt von der Nullgradgrenze in der Luft ab. Bei uns liegt sie im Sommer bei etwa 3.000 Metern Höhe, im Frühling bei etwa 800 Meter und im Winter – theoretisch – bei etwa 1.000 Meter unter dem Erdboden. Vor allem im Sommer kommt es vor, dass der Regen vor dem Aufprall bereits wieder verdunstet ist und erneut als Wasserdampf aufsteigt.

Hamburger im freien Fall

Die meisten Menschen stellen sich Regentropfen wahrscheinlich kugelrund oder tränenförmig vor – wie eben die klassischen Tropfen aus dem Wasserhahn. Doch weit gefehlt. Lediglich in den Wolken haben sie eine annähernd kugelrunde Form. Bei ihrer Reise zur Erdoberfläche sind sie durch ihre Geschwindigkeit einem so starken Luftwiderstand ausgesetzt, dass sie unten stark abflachen. Wenn sie den Boden erreichen, ähneln sie daher eher einem Hamburger denn dem Klischee des Wassertropfens.

Stand: 28.05.2004