Warum Wolken nicht vom Himmel fallen – das erstaunliche Schweben von Wasser in der Atmosphäre

Wolken können gewaltige Mengen Wasser enthalten. Eine einzige größere Quellwolke bringt es leicht auf viele hundert Tonnen Wasser, mächtige Gewitterwolken sogar auf ein Vielfaches davon. Trotzdem stürzt eine Wolke nicht als kompakte Wassermasse zu Boden. Sie scheint nahezu schwerelos am Himmel zu schweben und kann dabei über Stunden bestehen.

Der Grund liegt in der winzigen Größe ihrer Bestandteile. Eine Wolke besteht nicht aus einer zusammenhängenden Wassermasse, sondern aus Milliarden feinster Wassertröpfchen und – bei ausreichend niedrigen Temperaturen – Eiskristallen. Typische Wolkentröpfchen besitzen nur einen Durchmesser von ungefähr zehn bis zwanzig Mikrometern. Sie sind damit so klein, dass ihre Fallgeschwindigkeit äußerst gering ist.

Gleichzeitig befindet sich die Atmosphäre praktisch ständig in Bewegung. Bereits schwache aufsteigende Luftströmungen reichen aus, um die winzigen Tröpfchen in der Schwebe zu halten. Erst wenn sie wachsen und schwer genug werden, beginnt der Weg vom Wolkentröpfchen zum Regentropfen.

Kernaussagen

Damit eine Wolke entstehen kann, muss feuchte Luft zunächst abkühlen. Das geschieht häufig dadurch, dass Luft aufsteigt. Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck, das Luftpaket dehnt sich aus und kühlt dabei ab.

Erreicht die Luft ihren Taupunkt, ist sie mit Wasserdampf gesättigt. Der überschüssige Wasserdampf beginnt zu kondensieren.

Die Kondensation erfolgt allerdings nicht einfach mitten in vollkommen sauberer Luft. Benötigt werden winzige Schwebeteilchen, sogenannte Kondensationskeime. Dazu gehören beispielsweise Meersalz, Staub, Rauchpartikel oder andere Aerosole.

An ihnen lagern sich Wassermoleküle an und bilden mikroskopisch kleine Tröpfchen.

Diese Tröpfchen sind zunächst so klein, dass ihre Gewichtskraft gegenüber dem Luftwiderstand nur eine geringe Rolle spielt. Ihre Sinkgeschwindigkeit beträgt häufig lediglich wenige Millimeter oder Zentimeter pro Sekunde.

Schon sehr schwache Aufwinde können diesen Fall ausgleichen.

Eine Wolke bleibt deshalb sichtbar, solange fortlaufend neue Tröpfchen entstehen und die vorhandenen Tröpfchen nicht schneller absinken oder verdunsten, als sie durch atmosphärische Bewegungen gehalten werden.

Meteorologischer Hintergrund

Ein einzelnes Wolkentröpfchen besitzt im Vergleich zu einem Regentropfen eine erstaunlich geringe Größe.

Während ein typisches Wolkentröpfchen ungefähr 0,01 bis 0,02 Millimeter groß ist, erreicht ein Regentropfen häufig einen Durchmesser von ein bis mehreren Millimetern.

Der Größenunterschied erscheint zunächst überschaubar, physikalisch ist er jedoch enorm.

Das Volumen eines kugelförmigen Tropfens wächst mit der dritten Potenz seines Radius. Verdoppelt sich der Radius, besitzt der Tropfen bereits das achtfache Volumen.

Ein Regentropfen kann deshalb die Masse von Hunderttausenden oder sogar Millionen kleiner Wolkentröpfchen enthalten.

Genau dieser Größenunterschied entscheidet darüber, ob Wasser nahezu schwebt oder deutlich nach unten fällt.

Auf jedes Wolkentröpfchen wirkt die Schwerkraft. Gleichzeitig erzeugt die Bewegung durch die Luft einen Widerstand.

Bei sehr kleinen Tröpfchen stellt sich schnell eine geringe sogenannte Endfallgeschwindigkeit ein. Das Tröpfchen sinkt dann nur sehr langsam.

In einer realen Wolke herrscht jedoch kaum jemals vollkommen ruhige Luft.

Warme Luft steigt auf, kühlere Luft sinkt ab und Turbulenzen erzeugen unzählige kleine Wirbel. Besonders in Quellwolken können die Aufwinde mehrere Meter pro Sekunde erreichen.

Verglichen damit ist die Sinkgeschwindigkeit eines Wolkentröpfchens verschwindend gering.

Doch irgendwann kann aus einer Wolke Niederschlag entstehen.

Dafür müssen die Tröpfchen erheblich wachsen.

In wärmeren Wolken geschieht dies vor allem durch Zusammenstöße. Unterschiedlich große Tröpfchen besitzen unterschiedliche Fallgeschwindigkeiten. Größere Tröpfchen können kleinere einholen, mit ihnen kollidieren und sich vereinigen.

Meteorologen sprechen vom Kollisions- und Koaleszenzprozess.

Mit zunehmender Größe steigt die Fallgeschwindigkeit. Dadurch begegnet das wachsende Tröpfchen wiederum weiteren kleineren Tröpfchen.

Der Prozess kann sich verstärken, bis ein Tropfen groß genug ist, um die Aufwinde innerhalb der Wolke zu überwinden und als Regen herauszufallen.

In unseren Breiten spielt zusätzlich häufig Eis eine entscheidende Rolle.

Viele Wolken bestehen selbst bei Temperaturen deutlich unter null Grad teilweise noch aus flüssigen, unterkühlten Wassertröpfchen.

Befinden sich gleichzeitig Eiskristalle in der Wolke, können diese besonders effektiv wachsen. Der Wasserdampf lagert sich bevorzugt an den Eiskristallen an.

Sie werden größer, beginnen zu fallen und können weitere Kristalle oder unterkühlte Wassertropfen aufnehmen.

Es entstehen Schneeflocken, Graupel oder andere feste Niederschlagsteilchen.

Fallen Schneeflocken anschließend durch eine ausreichend warme Luftschicht, schmelzen sie und erreichen uns als Regentropfen.

Ein erheblicher Teil unseres Regens kann deshalb ursprünglich als Eis oder Schnee innerhalb einer Wolke entstanden sein.

Auch die scheinbar scharfe Unterkante mancher Wolken lässt sich mit diesen Vorgängen erklären.

Steigt feuchte Luft auf, erreicht sie in einer bestimmten Höhe den Taupunkt. Dort beginnt die Kondensation und die Wolke wird sichtbar.

Unterhalb dieser Höhe ist die Luft noch nicht gesättigt. Dort verdunsten Wassertröpfchen wieder.

Die Wolkenbasis markiert damit häufig ziemlich genau jene Höhe, in der Temperatur und Taupunkt zusammenkommen.

Wolken sind deshalb keine festen Objekte, die wie Ballons durch die Atmosphäre treiben.

Sie sind vielmehr ständig neu entstehende Strukturen.

Auf einer Seite kondensiert Wasserdampf zu Tröpfchen, an anderer Stelle verdunsten Tröpfchen wieder. Luft strömt hinein und hinaus. Trotzdem kann die Wolke als Ganzes scheinbar über längere Zeit ihre Form behalten.

Schon gewusst?

Eine typische Schönwetterwolke kann tatsächlich mehrere hundert Tonnen flüssiges Wasser enthalten.

Das klingt zunächst widersprüchlich: Wie können hunderte Tonnen Wasser über unseren Köpfen schweben?

Entscheidend ist die Verteilung.

Das Wasser befindet sich auf ein riesiges Luftvolumen verteilt. Ein Kubikmeter Wolkenluft enthält häufig nur Bruchteile eines Gramms flüssiges Wasser.

Ein anschaulicher Vergleich zeigt den Unterschied: Würde man sämtliches Wasser einer Wolke auf einmal in einen riesigen Behälter füllen, wäre es beeindruckend schwer. Verteilt man dieselbe Menge jedoch auf Milliarden mikroskopischer Tröpfchen innerhalb vieler Millionen Kubikmeter Luft, verhält sie sich vollkommen anders.

Und selbst Regentropfen sind nicht beliebig groß.

Werden sie zu groß, verformen sie sich beim Fallen durch den Luftwiderstand. Schließlich können sie instabil werden und in kleinere Tropfen zerfallen.

Deshalb fallen bei einem kräftigen Regenschauer nicht plötzlich faustgroße Wassertropfen vom Himmel.

Zwischen Kondensation, Aufwind, Schwerkraft, Luftwiderstand, Zusammenstößen und Verdunstung herrscht in jeder Wolke ein permanentes Gleichgewicht.

Eine Wolke ist somit weniger ein Gegenstand am Himmel als vielmehr ein sichtbarer meteorologischer Prozess – ständig im Entstehen und gleichzeitig schon wieder im Verschwinden.