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3.3 Die Wolke als Prozess


Eine Wolke ist keine unveränderliche Masse, die in der großräumigen Strömung schwimmt wie etwa ein Schiff im Meer. Sie ist vielmehr eine sich ständig ändernde Ansammlung von durch Kondensation von Wasserdampf entstehenden Tröpfchen und Eisteilchen, die beim Mischen mit der Umgebungsluft auch wieder verdampfen. Die Wolkenteilchen werden durch Reflektion und Streuung des Lichtes sichtbar. Die Wolke ist so ein Tracer, der Vorgänge in der Atmosphäre und ihre Eigenschaften sichtbar macht, nicht nur Windgeschwindigkeit und Windrichtung durch den Wolkenzug, sondern auch vieles andere mehr. Dies sei an einigen Beispielen noch näher erläutert.

Eine Cumulus-Wolke wird von ihrer Kondensationsbasis aus mit Luft, in der Wasserdampf kondensiert, ernährt. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die wesentlich ist für den weiteren Auftrieb. An den äußeren Rändern der Wolke mischen sich Wolkenteile mit nicht wasserdampf-gesättigter Außenluft, wobei Wolkentröpfchen verdunsten. Diese Dissipationsvorgänge am Rand sind turbulent, was man oft gut beobachten kann. Ändert sich die Wolke in ihrer Größe nicht, dann bedeutet das ein Gleichgewicht zwischen dem an der Basis zuströmenden Wasserdampf und der Masse der am oberen und seitlichen Rand verdunstenden Wolkenteilchen. Die Wolke zerfällt, wenn die Gesamtheit der Dissipations-Prozesse die gesamte Kondensation überwiegt; die Wolke wächst, wenn es umgekehrt ist. Diese Gleichgewichts-Verhältnisse bestimmen die Lebensdauer einer Wolke, die bei einem Cu hum nur wenige Minuten und selbst bei einer Hagelzelle in einem Gewitter nur 1/4 h sein kann. Wird eine Wolke vom Nachschub abgeschnitten, dann löst sie sich schnell auf; sie macht dann einen zerfetzten, zerfasernden Eindruck.

Das Einbeziehen von Außenluft in eine Wolke nennt man Entrainment. Dies führt an der Basis zur Kondensation, weil die Außenluft dort gesättigt ist, an den Rändern zu Dissipation, weil die Außenluft dort trocken ist. Mit Detrainment bezeichnet man Ausfließen von Wolkenluft.

Bei der Überströmung eines Berges entsteht oft eine Wolkenkappe, die die Gipfelregion verhüllt und große Ausmaße erreichen kann. Die Wolke kann über viele Stunden stationär sein, aber in der Strömung wird stets neue Luft herangeführt, in der es im Luv zur Kondensation und im Lee zum Verdampfen der Wolkenteilchen kommt. Luft, Wasser und Wasserdampf in der sichtbaren Wolke werden im Verlauf der Strömung ständig erneuert, es sind immer andere Teilchen, die den optischen Eindruck der Wolke erzeugen. Das Volumen der Wolke wird geordnet durchströmt. Ebenso funktioniert eine Lenticularis-Wolke, z. B. ein linsenförmiger Ac einer Bergwelle.

Ebenso bleiben auch andere Strömungssysteme z. B. als Wirbel oder großes Gewitter über viele Stunden erhalten, wandern sogar über hunderte von Kilometern, beziehen aber ständig neue Luft und damit auch neuen Wasserdampf in das System ein. Bei einem ,Super-cell Storm‘ (großes Gewitter mit Eigenrotation) verändert sich auch die innere Dynamik ständig, die einzelnen Konvektionszellen bilden sich ständig neu und vergehen wieder, haben also eine kurze Lebensdauer, aber das Gesamtgebilde lässt sich über große Strecken verfolgen.

Die Einzelprozesse, die verantwortlich sind für das spezielle Aussehen einer Wolke, sind recht vielfältig. Selbst eine Wolke einer bestimmten Gattung und Art kann recht unterschiedlich aussehen. Dies sei am Beispiel eines Cu con erläutert.

Cu con entsteht durch freie (labile Schichtung) oder/und erzwungene Konvektion (Hebung unter Einfluss der Orographie oder durch Turbulenz). Ein Bilderbuch - Cu con wird, wie oben beschrieben, von der Kondensationsbasis her ernährt und dissipiert wegen kleinskaliger Turbulenz an seinen Rändern. Entrainment und Verwirbelung an den Rändern kann man oft sehr schön sehen. Er steht aufrecht gerade und symmetrisch da. Nimmt aber die Windgeschwindigkeit in seinem Höhenbereich mit der Höhe zu (Windscherung), dann erscheint er nach vorne umgekippt, nimmt sie ab, dann fällt er nach hinten um. Überwiegt die Dissipation die Kondensation, dann zerfasert die Wolke. Im umgekehrten Fall wird sie dicker, höher und stattlicher. Stößt sie an eine Inversion, dann flacht sie oben ab. Nimmt dann aber später der Auftrieb in der Wolke zu, können sich über dem abgeflachten Teil wieder neue Quellungen (s. Wolkenart castellanus) bilden. Der Cu con kann überdies durch großräumiges Aufsteigen und Absinken beeinflusst werden. Ersteres verstärkt die Konvektion, letzteres dämpft sie.

Manchmal bildet sich über einem Cu con eine Kappe oder Haube (Begleitwolke pileus), die glatte Ränder und keine Anzeichen von Quellungen besitzt. Beide Eigenschaften zeigen, dass diese Kappe in einer stabilen Schichtung entsteht. Oft erscheint sie deutlich getrennt vom Cu, oft aber in Kontakt mit ihm oder mit ihm verwachsen. Sie bildet sich in einer über der Gipfelhöhe des Cu liegenden Inversion, in der nahezu Wasserdampfsättigung herrscht. In ihr wird die Strömung durch den sich nach oben fortsetzenden Impuls der Cu-Wolke gehoben und es kommt zur Kondensation.

Hochinteressant, aber auch extrem komplex sind die Prozesse in Cumulonimbus-Wolken. Diese hier zu beschreiben, würde den Rahmen dieser Schrift sprengen. Der Leser sei deshalb auf die umfangreichen, für den gebildeten Laien geschriebenen Ausführungen in „Risiko Wetter“ (Kraus und Ebel, 2003) verwiesen. An gleicher Stelle findet sich auch eine ausführliche Darstellung der Bildung von Cumuluswolken in Abhängigkeit von der Stabilität der Schichtung.

Es gibt nicht nur durch Auftrieb bedingte Konvektion nach oben, sondern auch negativen Auftrieb und Konvektion nach unten. Dies ist besonders ausgeprägt bei sterbenden Cumulonimben, kommt aber auch bei anderen Wolkengattungen (s. Tab. 2) vor. Lässt der Auftrieb an der Kondensationsbasis eines Cb nach und setzt auch dort ein Mischungsprozess mit trockener Luft ein, so verdampfen hier Tröpfchen, Wolkenteile kühlen sich ab, und es bilden sich Ausbuchtungen nach unten: negative Konvektion führt zu der Sonderform mammatus.

In der gleichen Weise kann man auch über die Prozesse nachdenken, die bei anderen Wolken zu der großen Vielfalt des Beobachteten führen. Hier sei noch Ci fib erwähnt, der oft Rätsel aufgibt, wie die einzelne Form zu Stande kommt.

Cirren sind Eiswolken. Der Sättigungsdampfdruck über Eis ist niedriger als der über Wasser bei gleichem Krümmungsradius der Teilchenoberfläche. Wasserdampfsättigung in Bezug auf Wasser bedeutet so Übersättigung in Bezug auf Eis. In der oberen Troposphäre ist diese Eisübersättigung sehr häufig. Das hat zur Folge, dass Cirren eine lange Lebensdauer besitzen, weil die Eiskristalle nicht verdunsten. Eisübersättigung gibt es auch in wolkenfreien Bereichen relativ oft, so dass sich selbst bei wolkenlosem Himmel persistente Kondensstreifen von Flugzeugen bilden.

Viele Cirren zeichnen sich, anders als Wolken im unteren Stockwerk, durch ihre faserige Struktur aus. Dies ist eine Folge von fast laminarer Strömung bei sehr schwach ausgebildeter oder gar nicht vorhandener kleinskaliger Turbulenz, die die Fasern vermischen und ganz zerstören würde. Das faserige, streifige Erscheinungsbild finden wir nicht bei allen Cirren, etliche zeigen auch ein ganz gleichmäßiges Weiß und sehen ganz glatt aus. So gibt es z. B. die Gattung Cirrostratus mit den Arten fibratus (faserig) und nebulosus (ohne Struktur).

Wir verstehen so, dass Wolken im oberen Stockwerk ganz andere Erscheinungsformen aufweisen als solche im unteren, wo glatte quellende und bauchige Formen überwiegen. Es gibt so im Cirrus-Niveau ganz eigenartige Himmelsbilder, die wir aus den anderen Niveaus nicht kennen:

Den Wolkenfetzen (pannus, fractus) entsprechen bei den Cirren wirre Wolkenfäden. / Der Wind kann langgezogene Strähnen oder Büschel, bestehend aus vielen Eisfasern, erzeugen. Diese erscheinen geknickt (s. Wolkenart uncinus), wenn Windscherung wirksam wird. Manche Fasern bestehen aus fallenden Niederschlags-Eisteilchen (vgl. die Sonderformen virga und praecipitatio). / Viele Büschel entstehen in einem Strömungsfeld, das durch Streckung, Dehnung bei horizontaler Windscherung und damit verbundenem Aufsteigen gekennzeichnet ist. Die so entstehenden Büschel tragen dann häufig eine Verdickung (Kopf) an ihrem Ende.

Kondensstreifen von Flugzeugen unterliegen, wenn sie wegen Eisübersättigung lange bestehen bleiben, einer ständigen Modifikation. Wegen der eisübersättigten Umgebung wachsen die Eisteilchen wie bei allen Cirren unter dieser Bedingung. Große Teilchen fallen aus: man sieht Fallstreifen, die sich auch nach der Seite ausbreiten können. Kondensstreifen breiten sich nach allen Seiten aus durch turbulente Diffusion, verlieren u. U. auch ihre geradlinige Form (z. B. wenn sie in eine wellenförmige Strömung geraten).

Bei Kondensstreifen gibt es auch Ausbuchtungen nach unten, die der Sonderform mammatus entsprechen: Mischung der Kondensstreifenluft mit äußerer trockenerer führt zu Verdunstung von Eisteilchen und Abkühlung kleiner Luftpakete, die dadurch einen negativen Auftrieb erfahren; das geht aber nur, wenn die Umgebungsluft wirklich trockener ist, anders als bei den Modifikationen, die im letzten Absatz beschrieben wurden.

Auch die Wirbelschleppen der Flugzeuge können bei der Modifikation der Kondensstreifen eine Rolle spielen.

Wie oben betont, bietet diese Kapitel nur einige Beispiele, um die Prozesse in Wolken zu erläutern.


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