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

Eine große Wolke kann enorme Mengen Wasser enthalten und trotzdem scheinbar schwerelos über der Landschaft stehen. Das wirkt zunächst widersprüchlich: Wasser ist deutlich schwerer als Luft. Warum fällt eine Wolke also nicht einfach als gewaltige Wassermasse zu Boden?

Der entscheidende Punkt ist ihre innere Struktur. Eine Wolke besteht nicht aus einem zusammenhängenden Wasserreservoir, sondern aus Milliarden winziger Wassertröpfchen und – bei niedrigen Temperaturen – Eiskristallen. Typische Wolkentröpfchen besitzen nur einen Durchmesser von ungefähr 10 bis 20 Mikrometern. Sie sind so klein, dass ihre Sinkgeschwindigkeit äußerst gering ist.

Schon schwache Aufwinde und turbulente Luftbewegungen können diese Teilchen deshalb in der Schwebe halten oder sogar nach oben transportieren. Erst wenn aus den mikroskopisch kleinen Wolkenteilchen wesentlich größere Tropfen, Schneeflocken oder Hagelkörner entstehen, beginnt die Schwerkraft die Oberhand zu gewinnen.

Kernaussagen

Wolken schweben nicht, weil Wasser plötzlich leichter als Luft wäre. Die einzelnen Wassertröpfchen sind vielmehr so klein, dass ihr Gewicht gegenüber dem Luftwiderstand nur eine sehr geringe Fallgeschwindigkeit erzeugt.

Gleichzeitig befindet sich unsere Atmosphäre ständig in Bewegung. Selbst bei scheinbar ruhigem Wetter existieren kleine Auf- und Abwinde sowie Turbulenzen. Eine vertikale Luftbewegung von nur wenigen Zentimetern pro Sekunde kann bereits ausreichen, um winzige Wolkentröpfchen in der Luft zu halten.

Damit Niederschlag entstehen kann, müssen diese Teilchen erheblich wachsen.

In wärmeren Wolken geschieht das vor allem durch Zusammenstöße. Größere Tropfen fallen etwas schneller als kleinere, holen diese ein und können mit ihnen verschmelzen. Dadurch werden sie immer größer und gleichzeitig schneller.

In kalten oder gemischten Wolken kommt ein weiterer Mechanismus hinzu: Eiskristalle wachsen auf Kosten unterkühlter Wassertröpfchen. Werden sie schwer genug, beginnen sie zu fallen. Durchqueren sie anschließend eine ausreichend warme Luftschicht, schmelzen sie und erreichen uns als Regentropfen.

Meteorologischer Hintergrund

Der Weg eines Regentropfens beginnt häufig mit unsichtbarem Wasserdampf.

Wird feuchte Luft angehoben, nimmt der Umgebungsdruck mit zunehmender Höhe ab. Das Luftpaket dehnt sich aus und kühlt dabei ab. Schließlich kann die Temperatur den Taupunkt erreichen.

Nun ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt.

Für die Entstehung von Wolkentröpfchen benötigt der Wasserdampf allerdings kleine Oberflächen, an denen er kondensieren kann. In der Atmosphäre schweben dafür unzählige mikroskopische Partikel. Dazu gehören beispielsweise Meersalz, Staub, Ruß und andere Aerosole.

Meteorologen bezeichnen sie als Kondensationskerne.

An diesen Teilchen lagert sich Wasserdampf an. Milliarden winziger Wassertröpfchen entstehen – eine Wolke wird sichtbar.

Ein typisches Wolkentröpfchen besitzt ungefähr ein Hundertstel Millimeter Durchmesser. Die Schwerkraft wirkt natürlich auch auf dieses winzige Teilchen. Doch gleichzeitig bremst der Luftwiderstand seine Bewegung.

Deshalb sinkt es nur äußerst langsam.

Die Luft innerhalb einer Wolke kann sich jedoch wesentlich schneller bewegen. Thermische Aufwinde, Turbulenzen oder großräumige Hebungsprozesse transportieren Luft nach oben. Dadurch werden die Tröpfchen immer wieder mitgenommen.

Eine Wolke ist deshalb keineswegs ein starres Gebilde. Permanent entstehen neue Tröpfchen, andere verdunsten wieder und große Mengen Wasser werden innerhalb der Wolke auf- und abwärts transportiert.

Für die Entstehung von Regen reicht reine Kondensation meist nicht aus. Würde ein Wolkentröpfchen ausschließlich dadurch wachsen, dauerte es sehr lange, bis daraus ein richtiger Regentropfen würde.

Deshalb übernehmen Zusammenstöße einen wichtigen Teil der Arbeit.

Ein etwas größeres Tröpfchen besitzt eine höhere Fallgeschwindigkeit als kleinere Teilchen. Auf seinem Weg durch die Wolke kann es andere Tröpfchen einholen und aufnehmen.

Dadurch wächst es weiter, wird schwerer und fällt noch schneller.

Schließlich erreicht der Tropfen eine Größe, bei der die vorhandenen Aufwinde sein Gewicht nicht mehr ausgleichen können. Er verlässt die Wolke und fällt Richtung Boden.

Doch selbst dann ist noch nicht garantiert, dass wir tatsächlich Regen beobachten.

Ist die Luft unterhalb der Wolke sehr trocken, kann ein Teil oder sogar der gesamte Niederschlag während des Falls wieder verdunsten. Manchmal sieht man unter einer Wolke deutlich einen Niederschlagsvorhang, der den Erdboden nicht erreicht. Dieses Phänomen wird als Virga bezeichnet.

Erst wenn die Regentropfen ihren Weg durch die Atmosphäre überstehen, messen wir am Boden tatsächlich Niederschlag.

Schon gewusst?

Die klassische Darstellung eines Regentropfens als Träne ist physikalisch nicht richtig.

Sehr kleine Regentropfen sind nahezu kugelförmig. Mit zunehmender Größe wirkt der Luftwiderstand stärker auf ihre Unterseite. Größere Tropfen werden deshalb unten abgeflacht und erinnern in ihrer Form eher an ein kleines Hamburgerbrötchen.

Noch überraschender ist ihre Größenentwicklung.

Ein Wolkentröpfchen besitzt typischerweise nur etwa 10 bis 20 Mikrometer Durchmesser. Ein Regentropfen kann dagegen einen Durchmesser von mehreren Millimetern erreichen.

Der Unterschied beim Volumen ist gewaltig: Für einen einzigen größeren Regentropfen werden letztlich sehr viele Wolkentröpfchen benötigt.

Und auch Regentropfen können nicht beliebig groß werden. Wird ein fallender Tropfen zu groß, verformt ihn der Luftwiderstand immer stärker. Schließlich wird er instabil und zerfällt in mehrere kleinere Tropfen.

Eine Wolke fällt deshalb niemals einfach als Ganzes vom Himmel.

Erst wenn aus nahezu schwebenden mikroskopischen Wasserteilchen ausreichend große und schwere Niederschlagsteilchen geworden sind, gewinnt die Schwerkraft gegen Aufwind und Luftwiderstand – und aus einer Wolke wird Regen.