Warum Wolken schweben – und warum sie irgendwann doch als Regen vom Himmel fallen

Eine mächtige Wolke kann mehrere hunderttausend Tonnen Wasser enthalten. Trotzdem schwebt sie scheinbar mühelos am Himmel. Dieser alltägliche Anblick wirkt zunächst widersprüchlich: Wasser ist deutlich schwerer als Luft – weshalb fällt eine Wolke also nicht einfach herunter?

Die Antwort liegt in der Größe ihrer Wassertröpfchen. Eine Wolke besteht nicht aus einem zusammenhängenden Wasserreservoir, sondern aus Milliarden winziger Tröpfchen und Eiskristalle. Ein typisches Wolkentröpfchen besitzt lediglich einen Durchmesser von ungefähr 10 bis 20 Mikrometern. Es ist damit so klein, dass seine Fallgeschwindigkeit nur wenige Millimeter bis Zentimeter pro Sekunde beträgt.

Schon schwache Luftbewegungen reichen deshalb aus, um solche Tröpfchen in der Atmosphäre zu halten. Erst wenn aus den winzigen Wolkenteilchen wesentlich größere Regentropfen, Schneeflocken oder Hagelkörner entstehen, gewinnt die Schwerkraft das Rennen.

Kernaussagen

Wolken bestehen aus extrem kleinen Wassertröpfchen und – bei ausreichend niedrigen Temperaturen – aus Eiskristallen. Die einzelnen Teilchen sind so klein, dass ihr Gewicht nur eine sehr geringe Fallgeschwindigkeit erzeugt.

Gleichzeitig ist die Atmosphäre niemals vollkommen ruhig. Turbulenzen und schwache Aufwinde bewegen Luft ständig nach oben und unten. Bereits ein kaum wahrnehmbarer Aufwind kann schneller sein als die Sinkgeschwindigkeit eines kleinen Wolkentröpfchens.

Damit Niederschlag entsteht, müssen die Wolkenteilchen deshalb zunächst wachsen.

In warmen Wolken geschieht dies hauptsächlich durch Zusammenstöße und das Zusammenfließen kleiner Tröpfchen. In kalten Mischwolken spielt zusätzlich das Wachstum von Eiskristallen eine entscheidende Rolle.

Erst wenn die Teilchen groß und schwer genug geworden sind, können die Aufwinde sie nicht mehr in der Wolke halten – Regen, Schnee oder Hagel erreicht den Boden.

Meteorologischer Hintergrund

Die Entstehung einer Wolke beginnt meist mit aufsteigender Luft.

Steigt ein Luftpaket in der Atmosphäre nach oben, nimmt der Umgebungsdruck ab. Das Luftpaket dehnt sich aus und kühlt dabei ab.

Irgendwann erreicht seine Temperatur den Taupunkt. Die Luft ist nun mit Wasserdampf gesättigt.

Damit Wasserdampf zu flüssigem Wasser werden kann, benötigt er allerdings eine Oberfläche. In der Atmosphäre übernehmen diese Aufgabe winzige Schwebeteilchen, sogenannte Kondensationskerne. Dazu gehören beispielsweise Meersalz, Staub, Ruß oder andere Aerosole.

An ihnen kondensiert Wasserdampf.

So entstehen Milliarden mikroskopisch kleiner Wolkentröpfchen.

Ein einzelnes dieser Tröpfchen ist häufig nur etwa ein Hundertstel Millimeter groß. Die Schwerkraft zieht es zwar nach unten, doch gleichzeitig wirkt der Luftwiderstand.

Bei solch kleinen Teilchen ist dieser Luftwiderstand im Verhältnis zum Gewicht enorm. Deshalb sinkt das Tröpfchen nur ausgesprochen langsam.

Die Atmosphäre selbst bewegt sich jedoch ständig.

Thermische Aufwinde, Turbulenzen und großräumige Hebungsprozesse transportieren Luft nach oben. Bereits eine vertikale Luftbewegung von wenigen Zentimetern pro Sekunde kann ausreichen, um ein Wolkentröpfchen schweben oder sogar aufsteigen zu lassen.

Eine Wolke ist deshalb kein statisches Gebilde.

Permanent entstehen neue Tröpfchen, andere verdunsten wieder und zahlreiche Teilchen werden innerhalb der Wolke auf- und abwärts transportiert.

Damit daraus Regen entsteht, müssen die Tröpfchen erheblich größer werden.

Das ist schwieriger, als es zunächst klingt. Allein durch weitere Kondensation würden Wolkentröpfchen nur sehr langsam die Größe eines Regentropfens erreichen.

Deshalb helfen andere Prozesse.

In warmen Wolken stoßen unterschiedlich große Tröpfchen zusammen. Größere Tropfen fallen etwas schneller als kleinere und holen diese gewissermaßen ein. Treffen sie aufeinander, können sie miteinander verschmelzen.

Der Tropfen wird größer, fällt schneller und sammelt weitere Tröpfchen ein.

Es entsteht eine Art Kettenreaktion.

In Wolken mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kommt ein weiterer faszinierender Prozess hinzu.

Dort können gleichzeitig unterkühlte Wassertröpfchen und Eiskristalle existieren. Wasserdampf lagert sich bevorzugt an den Eiskristallen an. Diese wachsen und können schließlich als Schneeflocken nach unten fallen.

Durchqueren sie auf ihrem Weg eine ausreichend warme Luftschicht, schmelzen sie – und erreichen den Boden als Regentropfen.

Ein erheblicher Teil unseres Regens hat deshalb seine Reise tatsächlich als Schnee begonnen.

Schon gewusst?

Ein gewöhnlicher Regentropfen ist erstaunlich groß im Vergleich zu einem Wolkentröpfchen.

Ein typisches Wolkentröpfchen besitzt ungefähr 10 bis 20 Mikrometer Durchmesser. Ein Regentropfen kann dagegen einen Durchmesser von etwa 1 bis 5 Millimetern erreichen.

Sein Durchmesser ist damit hundertfach größer – sein Volumen sogar millionenfach.

Auch die bekannte Vorstellung vom Regentropfen in Form einer Träne stimmt nicht.

Sehr kleine Regentropfen sind nahezu kugelförmig. Größere Tropfen werden durch den Luftwiderstand an ihrer Unterseite abgeflacht und ähneln eher einem kleinen Hamburgerbrötchen.

Werden sie zu groß, können sie ihre Form nicht mehr stabil halten und zerfallen während des Falls in kleinere Tropfen.

Eine Wolke fällt deshalb nicht plötzlich als Ganzes vom Himmel.

Niederschlag entsteht erst dann, wenn aus Milliarden nahezu schwebender mikroskopischer Wasserteilchen einzelne Teilchen groß genug geworden sind, um schneller zu fallen, als die Luft sie wieder nach oben transportieren kann.