Ob Schäfchen, Schleier oder turmartige Haufen: Wolken ziehen in den verschiedensten Formationen über unseren Himmel. Sie kommen und gehen, brauen sich zusammen und wandeln sich ständig. Aber wie kommen die luftigen Gebilde genau zustande? Warum sind sie für gewöhnlich weiß und wie lösen sie sich wieder auf?
Der Himmel erscheint nur selten strahlend blau. Mehr als die Hälfte unseres Planeten wird ständig von Wolken bedeckt. Wenn wir nach oben schauen, können wir daher meist weißgraue Wolken in den verschiedensten Farbnuancen und Formen beobachten. Aber welche physikalischen Prozesse führen eigentlich zur Wolkenbildung? Und wie unterscheiden sich die verschiedenen Wolkenarten?
Wann entstehen Wolken?
Wolken entstehen immer dann, wenn warme, feuchte Luft aufsteigt und Wasserdampf in höhere Schichten der Erdatmosphäre transportiert. Das passiert unter anderem, wenn die Luft auf einen Berg trifft oder durch die Sonne erwärmt wird. Beim Aufsteigen kühlen Luft und Wasserdampf ab. Weil kältere Luft weniger Feuchtigkeit aufnehmen kann als warme, kondensiert das Wasser: Die Wassermoleküle binden an winzige Partikel in der kühlen Höhenluft und kondensieren zu Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Dadurch bilden sich örtlich Wolken, die je aus Millionen kleiner Tröpfchen oder Kristalle bestehen. Schätzungen zufolge befinden sich dadurch etwa 15 Billionen Tonnen Wasser in der Atmosphäre.
In der Regel erscheinen Wolken weiß, weil das enthaltene Wasser das Sonnenlicht ablenkt und abschwächt, zum Teil auch reflektiert. Dadurch gelangen zwar weiterhin alle Farben des Lichts in unser Auge, aber weniger intensiv als von der wolkenfreien Umgebung. Umso mehr Wasser Wolken enthalten, desto mehr Licht schlucken sie und umso dunkler erscheinen sie uns. Das lässt sich etwa bei grauschwarzen Gewitterwolken beobachten.
Weil Luftströme jedoch dynamisch sind, wandelt sich eine Wolke ständig, wächst an oder verflüchtigt sich wieder, wenn die nötigen Bedingungen nicht mehr gegeben sind. Keine Wolke gleicht damit einer anderen.
Warum kondensiert Wasser in der Luft?
Als sogenannte Nukleationskeime für Wolken eignen sich Aerosole wie zum Beispiel Salz oder Sandstaub aus Wüsten, Ruß aus Abgasen oder Pollen von Pflanzen und andere Schwebstoffe in unserer Atmosphäre. An der Bildung von Eiswolken sind zum Beispiel oft Feldspat-Kristalle beteiligt. Dieses in Granit und anderen Gesteinen enthaltene Silikat-Mineral weht als feiner Staub mit der Luft über den Himmel.
Wegen der speziellen Oberfläche von Feldspat-Partikeln können sich Wassermoleküle daran besser anlagern als an anderen Teilchen, wie Forschende um Giada Franceschi von der TU Wien kürzlich entdeckt haben. Grund dafür ist eine dünne Schicht aus Hydroxyl-Ionen, die stets die Oberfläche von Feldspat-Kristallen bedecken, wie hochauflösende Mikroskopaufnahmen und Computersimulationen enthüllten. Dabei sind die Ionen so positioniert, dass Wassermoleküle wie Klemmbausteine perfekt daran andocken können.
Feldspat-Teilchen sind damit hervorragende Nukleationskeime, an denen Wassermoleküle schnell und stabil gebunden bleiben. In höheren Schichten der Atmosphäre gefriert das Wasser an solchen Keimen zu Eis, sodass schließlich eine Eiswolke am Himmel entsteht.
Welche Wolkenformen gibt es?
Kennern sind diese weißlichen Gebilde auch als Cirrus- oder Federwolken, kleine Schäfchenwolken (Cirrocumulus) oder Schleierwolken (Cirrostratus) bekannt. Diese Eiswolken bestehen fast vollständig aus Eiskristallen wie Schnee und bilden sich erst in großen Höhen ab etwa sechs Kilometern, wo eisige Temperaturen herrschen.
In den niedrigsten und damit wärmeren Luftschichten dominieren hingegen zum Beispiel die blumenkohl- oder haufenförmigen Cumulus-Wolken, die als Wolken-Stereotyp gängige Icons und zahlreiche Kinderbilder zieren. Sie sind meist leichte Schönwetterwolken, die vergleichsweise wenig Wasser enthalten und daher meist keinen Regen mit sich bringen. Besonders häufig sind diese im Sommer zu beobachten, wenn die Sonne am stärksten scheint.
Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) unterscheidet heute insgesamt zehn Wolkengattungen, 15 Wolkenarten und neun Unterarten – je nach ihrer Größe, Gestalt, Struktur und Farbe. Auch die Höhe, in der sie auftreten, wird dabei berücksichtigt. Die Einteilung ähnelt damit der Klassifikation von Tieren und Pflanzen. Auch die Wolkennamen werden wie bei Lebewesen auf Latein vergeben. Eine Sonderform bildet der Nebel – eine Wolkenform, die direkt an der Erdoberfläche entsteht, ohne dass zuvor warme Luft aufgestiegen ist. Die systematische Einteilung der Wolken erleichtert Wissenschaftlern ihre Analyse und die darauf basierende Wettervorhersage.
Wann regnet oder schneit es?
Manche Wolken lösen sich einfach wieder auf, wenn sie mit dem Wind in andere Luftströmungen gelangen und das darin enthaltene Wasser verteilt wird oder sich die Luft erwärmt. Andere lösen sich auf, indem sie Niederschlag loswerden. Dazu kommt es, wenn die an den Aerosolen kondensierten Wassertropfen sich durch Luftbewegungen zu immer größeren Tropfen zusammenschließen, bis sie schließlich so schwer sind, dass sie nicht mehr schweben, sondern zu Boden fallen. Dann regnet es.
In größeren Höhen beziehungsweise bei niedrigeren Temperaturen entstehen in den Wolken Schneeflocken aus gefrorenem Wasser. Graupel und seine Steigerungsform, der Hagel, entstehen wiederum bei Turbulenzen in höheren Wolkenschichten, wenn ein unterkühlter Wassertropfen aus einer unteren Luftschicht plötzlich auf eine Schneeflocke in einer oberen Luftschicht trifft. Dann bilden sich kleine Eiskugeln, die bei mehrfacher Wiederholungen dieses Vorgangs unter Umständen immer größer werden, bis sie wegen ihres Gewichts schließlich auf die Erde herabfallen. (Journal of Physical Chemistry Letters, 2024; doi: 10.1021/acs.jpclett.3c03235)
Quelle: Technische Universität Wien
