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3.2 Bei der Beobachtung hilfreiches Grundlagenwissen


Wenn man an die Beobachtung von Wolken herangeht, sollte man zuerst versuchen, die Wolken, die man sieht, nach Stockwerken zu ordnen. Oft ist das nicht sehr schwierig: die seidig matt glänzenden Cirren mit vielfach faserartiger Struktur hoch am Himmel gehören eindeutig ins obere, die sehr erdnahen Cumulus-Wolken, die sich oft am Vormittag eines schönen Sommertages entwickeln, eindeutig ins untere Stockwerk. So gibt es viele Beispiele der einfachen Erkennung.

Als nächstes sollte man verschiedene grundlegende Einflüsse auf die Wolkenbildung kennen, so die allgemeine Wetterlage (z. B. ob gerade eine Kaltfront mit oft - aber nicht immer  - typischen Wolkenformationen vor der Tür steht), die Rolle der Erdoberfläche (z. B. wenn man Wolken über warmem Land in Nachbarschaft zu einer wolkenlosen Wasseroberfläche sieht), die Orographie (z. B. Wolken an einem Hang, Talnebel) und natürlich auch Tages- und Jahreszeit.

Ganz allgemein sollte dem Beobachter immer bewusst sein, dass sich die atmosphärischen Prozesse in einem sehr großen Spektrum von Raum- und Zeitskalen abspielen. Skala heißt hier Maßstab, Größenordnung. Die Raumskalen im atmosphärischen Geschehen umfassen den Bereich von < 1 mm bis zum Erdumfang, die Zeitskalen von < 1 s bis zu vielen Jahren. Auf unser Wolkenproblem übertragen heißt das, es gibt z. B. sehr kleine Cu-Wolken mit einem Durchmesser von nur 10 m (Cu hum), große Cumulonimben mit einer Basislänge von 5 km und mehr und bis zu 16 km (in den Tropen) hoch, Cluster von Cumulonimben mit Durchmessern in der Größenordnung von 300 km und ganz große Cs-Felder mit mehreren 100 km Breite und Länge. Wichtig ist: in den großen Elementen kann man als Struktur kleinere Skalen beobachten, z. B. Wellen im Cs oder die vielfältige Struktur und die vielen Sonderformen und Begleitwolken im Cb.

Bei der Betrachtung von Wolken können wir zwei unterschiedliche Zeitskalen definieren. Sie sind mit der Längenskala der Wolkengröße über zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten gekoppelt. Zunächst ist da die Zeit TZ, die ein Wolkensystem benötigt, um über einen Beobachter hinweg zu ziehen. Mit der Breite L des Systems und seiner Zuggeschwindigkeit UZ gilt T = L/UZ. Sei L die Breite einer Gewitterwolke von 36 km und zieht diese mit UZ = 10 m/s = 36 km/h, dann ergibt sich eine Zeitskala TZ = 1 h.

Führen wir einen Zeitmaßstab TD ein, der die Lebensdauer eines Systems beschreiben soll, dann benötigen wir die Diffusionsgeschwindigkeit UD der Wolke, das ist der Anteil von L, der in der Zeiteinheit dissipiert. Anstatt diesen zu bestimmen und T = L/UD zu rechnen, können wir gleich aus Beobachtungen die Lebensdauer bestimmen. Zum Beispiel dissipieren Cumulus-Wolken sehr schnell, Cirren recht langsam.

Schließlich ist es hilfreich, wenn man (wenn schon nicht mit den gesamten Grundlagen der Meteorologie) mit einigen Erscheinungen vertraut ist; hier seien genannt und kurz erläutert: Hebung, Absinken, Fronten, Turbulenz, Konvektion, Wellen und Wirbel.

Der Wolkenhimmel bietet oft ein sehr friedliches Bild, und es erfordert schon etwas Phantasie, sich vorzustellen, dass es im Bereich der beobachteten Wolken oder sogar des makellosen blauen Himmels gar nicht so ruhig zugeht. Sich die Unruhe in der Atmosphäre vorzustellen, ist hilfreich beim Erstellen des Gesamtbildes, das man gewinnen möchte. Als Beispiele für eine stark bewegte Atmosphäre, von deren Bewegung man aber nichts sieht, seien hier die Clear Air Tubulence und der Hochnebel angeführt.

Bei ersterem handelt es sich um starke, selbst die großen Jets gefährdende Turbulenz im Bereich der Strahlströme, die in großer Höhe mit sehr großen Windgeschwindigkeiten die Erde umkreisen und in denen sich oft keine Wolken bilden, die Turbulenz anzeigen könnten.

Hochnebel in einem ruhigen Hochdruckgebiet mit einer geschlossenen Stratocumulus-Decke erscheint von oben (von einem Berggipfel oder Flugzeug betrachtet) als auch vom Erdboden aus als sehr statisch und ruhig. Taucht man aber mit einem Flugzeug im Sinkflug in eine solche Decke ein, dann ist man höchst verwundert über die heftige Turbulenz, die selbst größere Jets kräftig schüttelt. Sichtbar wird dies in der Struktur des Stratocumulus: die dunklen Ballen sind die Gebiete in der Wolke, wo es kräftige Aufwinde und so Kondensation gibt, die hellen, wo die Luft absinkt und die Wolkentröpfchen verdunsten.

Damit sind wir beim Begriff der Turbulenz. Die Atmosphäre ist in weiten Teilen turbulent, das heißt, es gibt zur mittleren Bewegung hinzutretende ungeordnete Zusatzbewegungen in alle Richtungen und in einem breiten Größenspektrum. Was die Wolke angeht gibt es ungeordnete Vertikalbewegungen in vielen Skalen und so auch große horizontale Unterschiede in der Kondensation und so der Dicke der Wolke. Turbulenz kann dynamischen oder thermischen Ursprungs sein, ersteres über die Windscherung (Änderung der Windgeschwindigkeit in horizontaler oder vertikaler Richtung), letzteres über die Schichtungslabilität. Wegen der Turbulenz schauen die Wolken oft sehr inhomogen und/oder zerrissen und zerfasert aus. Große Turbulenz in Bodennähe erzeugt die großen Felder von Cumulus-Wolken.

Betrachten wir in solchen Feldern nur einzelne aufsteigender Elemente und ihr absinkendes Umfeld, dann sprechen wir von Konvektion, definiert als Vertikalbewegung einzelner Luftteilchen unterschiedlicher Größe. Ist sie durch dynamische Kräfte erzeugt, so spricht man von erzwungener Konvektion; von freier Konvektion dann, wenn Labilität, also thermischer Auftrieb, die Ursache ist.

Großskaliges (100 km) langsames Aufsteigen gibt es z. B. in großen Zyklonen, Absinken in großen Antizyklonen. Ersteres führt zu großen Schichtwolken, letzteres zu großräumiger Wolkenauflösung. In dem oben erwähnten Fall des Hochnebels gibt es meist ein Gleichgewicht von großräumiger Absinkbewegung in einem Hochdruckgebiet und einer turbulenten bodennahen Schicht, in der es zur Bildung des Stratocumulus kommt. Die Turbulenz versucht, sich immer höher hinaufzuarbeiten, das Absinken hält dem die Waage. Dies ist ein sehr schönes Beispiel dafür, dass turbulente Strömungen dicht neben großräumig homogenen liegen können. Das Wolkenbild ist sehr oft Abbild dessen, was da vor sich geht. Aber es ist oft sehr schwierig, allein aus der Beobachtung der Wolken, die atmosphärischen Vorgänge richtig zu deuten.

Atmosphärische Fronten (Warm-und Kaltfronten) zeichnen sich durch eine Zirkulation quer zu der Richtung, in die sie fortschreiten, aus. Man versteht an Hand von Bildern, wie man sie z. B. in der in Kapitel 5 angegebenen Literatur findet, warum sich Cirren und mittelhohe Wolken vor einer Front bilden. Um tiefer einzusteigen, bedarf es eines größeren Aufwandes. Die in Kapitel 5 angegebene Literatur kann hier ebenfalls hilfreich sein.

Wer Wolken beobachtet, sieht häufig die verschiedensten Arten und Skalen von Wellen. Die Atmosphäre ist nämlich ein schwingfähiges System, in dem auf die Luftteilchen wirkende auslenkende Kräfte die Teilchen aus ihrer Ruhelage heraus bewegen können und rückstellende Kräfte versuchen, sie in diese wieder zurückzubringen. Solche Wellen sieht man z. B. im oft eintönigen Cirrostratus, aber häufig sehr spektakulär im Zusammenhang mit Gebirgen.

Es lassen sich auch mannigfaltige Arten von Wirbeln beobachten. Großskalige Beispiele, die der an den Erdboden gebundenen Beobachter nicht überblicken kann, die sich aber auf Satellitenbildern gut studieren lassen, sind Mittelbreiten-Zyklonen, Tropische Zyklonen und Meso-Zyklonen. Vom Erdboden aus erkennt man im Wolkenbild horizontal liegende Wolkenwalzen (z. B. die Böenwalze eines Gewitters oder spiralförmig drehende Rollen im unteren Niveau) und vertikal stehende Wirbel (z. B. solche, die sich aus konvektiven Wolken nach unten entwickeln; wenn diese den Erdboden erreichen, nennt man sie Tornados).

Häufig beobachtet man, wie Wolken, die sich in der Vertikalen entwickeln, z. B. ein stark quellender Cumulus, nicht mehr weiter an Höhe gewinnen. Es gibt ein Hindernis, an dem sie anstoßen und sich dort eher in der Horizontalen ausbreiten. Das Hindernis ist eine stabile Luftschicht, meist eine Inversion; das ist eine Luftschicht, in der die Lufttemperatur mit der Höhe zunimmt. Die nach oben strebenden Wolkenteile sind beim Eindringen in diese Schicht nach einer kurzen Wegstrecke dann kälter als die Umgebung und verlieren so ihren Auftrieb.

Allgemein muss beachtet werden, dass die atmosphärischen Parameter wie Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung sich mit der Höhe keineswegs gleichmäßig ändern, dass sie und ihre vertikalen Änderungen vielmehr mit der Höhe stark variieren können und so die Atmosphäre eine Struktur von dickeren und dünneren Schichten aufweist. Das sieht man bei manchen Wolken sehr deutlich, z. B. bei einer Bergwelle, die mehrere solcher Schichten mit unterschiedlicher Feuchte einbezieht und in der so Absätze in der Wolke sichtbar werden. Es bietet sich dann das Bild einer z. B. schichtweise gestapelten Wolke (pile of plates) oder einer laminierten Welle. Beispiele finden sich in Abschnitt 4.4.2.


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