Wie entstehen Wolken und Regen? Die Himmelsreise eines Wassertropfens

Wattebäuschchen-Wolken, eine graue Decke über dem Horizont, dann Regentropfen, die gegen das Fenster prasseln – Wolken und Regen sind so alltäglich, dass wir sie kaum beachten. Dabei steht jeder Regentropfen am Ende einer langen Reise: Wasser, das aus Ozeanen, Seen und Pflanzen verdunstet ist und kilometerweit in den Himmel gestiegen ist.

Der Wasserkreislauf: die riesige Pumpe des Planeten

Das Wasser der Erde ist ständig in Bewegung:

1. Verdunstung: Die Sonne erwärmt Ozeane, Seen und Böden, Wasser verdunstet in die Luft. Auch Pflanzen geben über ihre Blätter Wasserdampf ab.
2. Kondensation: Kühlt der Wasserdampf ab, wird er wieder zu flüssigen Tröpfchen – Wolken entstehen.
3. Niederschlag: Sind die Tröpfchen groß genug, fallen sie als Regen, Schnee oder Hagel.
4. Abfluss: Über Flüsse, Grundwasser und Meere kehrt das Wasser in den Kreislauf zurück.

Die Energie für diesen Kreislauf stammt vollständig von der Sonne. Wolken sind der sichtbare Teil dieses gewaltigen Systems am Himmel.

Wie entsteht eine Wolke?

In der Luft ist immer etwas unsichtbarer Wasserdampf. Damit eine Wolke entsteht, muss er zu flüssigen Tröpfchen werden – und dafür muss die Luft abkühlen.

1. Luft steigt auf

Luft kann auf verschiedene Weise aufsteigen:

• Erwärmung: Der von der Sonne erhitzte Boden erwärmt die Luft darüber. Warme Luft ist leichter und steigt – so entstehen die Quellwolken an Sommernachmittagen.
• Gebirge: Trifft Wind auf ein Gebirge, wird die Luft an den Hängen nach oben gedrückt. Deshalb regnet es auf der Westseite von Schwarzwald und Harz so viel; am Brocken fällt mehr als doppelt so viel Niederschlag wie im Harzvorland.
• Wetterfronten: Treffen warme und kalte Luftmassen aufeinander, gleitet die leichtere warme Luft über die kalte.

2. Aufsteigende Luft kühlt ab

Je höher man kommt, desto geringer ist der Luftdruck. Aufsteigende Luft dehnt sich aus – und kühlt dabei ab. Trockene Luft kühlt pro Kilometer Aufstieg um etwa 10 °C ab. Deshalb sind Berggipfel selbst im Hochsommer kühl.

3. Wasserdampf kondensiert

Kühlt Luft bis zu einer bestimmten Temperatur ab, kann sie nicht mehr all ihren Wasserdampf halten. Diese Temperatur heißt Taupunkt; dann beginnt der Dampf, sich in flüssige Tröpfchen zu verwandeln.

Doch Wasserdampf braucht etwas, woran er kondensieren kann. Das übernehmen in der Luft schwebende Kondensationskeime:

• winzige Salzkristalle aus der Gischt des Meeres,
• Staub und Pollen,
• Rauch und andere Feinstpartikel.

Sie sind viel zu klein, um sie zu sehen – ohne sie würden Wolken aber viel schwerer entstehen.

4. Die Wolke wird sichtbar

Ein Wolkentröpfchen misst nur etwa 0,02 Millimeter, doch eine Wolke enthält Milliarden davon. Sie streuen das Sonnenlicht in alle Richtungen und machen die Wolke weiß und sichtbar.

Warum fallen Wolken nicht herunter?

Wolken sind erstaunlich schwer. Eine durchschnittliche Haufenwolke kann etwa 500 Tonnen Wasser enthalten. Warum fällt das nicht auf uns herab?

Die Antwort liegt in der winzigen Größe der Tröpfchen. Ein Wolkentröpfchen ist so klein, dass der Luftwiderstand seinen Fall fast stoppt; es sinkt nur Millimeter bis etwa einen Zentimeter pro Sekunde. Die Aufwinde, die Wolken bilden, wehen dagegen mit mehreren Metern pro Sekunde nach oben und halten die Tröpfchen mühelos in der Schwebe.

Die 500 Tonnen Wasser verteilen sich außerdem auf ein enormes Luftvolumen. Die Luft in einer Wolke wiegt insgesamt weit mehr als das Wasser darin.

Wie entsteht ein Regentropfen?

Damit ein Wolkentröpfchen als Regentropfen zu Boden fällt, muss sein Volumen etwa millionenfach wachsen.

Dieses Wachstum geschieht auf zwei Wegen:

Zusammenstoßen und Verschmelzen (in warmen Wolken)

In warmen tropischen Wolken bewegen sich die Tröpfchen unterschiedlich schnell. Etwas größere fallen schneller, stoßen mit kleineren zusammen und schlucken sie. Wächst ein Tropfen, fällt er schneller, sammelt noch mehr Tröpfchen ein und wird schließlich zum Regentropfen.

Eiskristalle (in kalten Wolken)

In mittleren Breiten wie in Deutschland liegen die oberen Teile von Wolken oft unter dem Gefrierpunkt. Dort existieren Eiskristalle neben flüssigen unterkühlten Tröpfchen. Die Eiskristalle wachsen rasch, indem sie Wasser an sich ziehen, das von den Tröpfchen ringsum verdunstet – bis sie schwer genug sind, um zu fallen. Nach dem Meteorologen Alfred Wegener, der den Effekt mitbeschrieb, spricht man vom Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess.

Beim Fall durch wärmere Luftschichten schmelzen die Schneeflocken zu Regentropfen. Ein großer Teil des Regens in Deutschland beginnt also hoch oben in der Wolke als Schnee. Ist es bis zum Boden kalt genug, kommen die Flocken ungeschmolzen an – und es schneit.

Die wahre Form eines Regentropfens

Regentropfen werden meist als Tränen gezeichnet – so sieht aber keiner aus:

• Kleine Tropfen (unter etwa 1 Millimeter) sind nahezu kugelrund.
• Große Tropfen werden beim Fallen durch den Luftwiderstand unten abgeflacht und ähneln einem Burgerbrötchen – oben rund, unten flach.
• Ab etwa 4 bis 5 Millimetern bläht der Luftwiderstand den Tropfen wie einen Fallschirm auf, bis er in kleinere Tropfen zerplatzt.

Wie schnell Regentropfen aufschlagen, hängt von ihrer Größe ab: Nieseltropfen fallen mit weniger als 2 Metern pro Sekunde, große Tropfen erreichen bis zu 9 Meter pro Sekunde.

Wolkenarten

Wolken werden nach Form und Höhe eingeteilt:

Cumulonimbus-Wolken können 10 bis 15 Kilometer hoch reichen und sind die Geburtsstätte von Blitzen – mehr dazu in Wie entsteht ein Blitz?.

Der Geruch von Regen

Der angenehm erdige Duft beim ersten Regen nach einer Trockenzeit hat einen Namen: Petrichor. Hauptquelle ist Geosmin, ein Stoff, den bestimmte Bodenbakterien bilden. Die menschliche Nase reagiert außerordentlich empfindlich auf Geosmin und erkennt schon winzige Mengen.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigten, dass Regentropfen beim Aufprall auf trockenen Boden winzige Luftblasen einschließen. Platzen sie, schleudern sie mikroskopisch kleine Partikel mit Geosmin und Pflanzenölen in die Luft – und der Wind trägt den Duft zu uns.

Kurz gesagt

Wolken entstehen, wenn von der Sonne erwärmte feuchte Luft aufsteigt und abkühlt. Am Taupunkt kondensiert Wasserdampf an Staub- und Salzteilchen zu Milliarden winziger Tröpfchen, die so klein sind, dass Aufwinde sie in der Schwebe halten. Stoßen Tröpfchen zusammen und verschmelzen oder wachsen Eiskristalle und schmelzen auf dem Weg nach unten, werden sie schwer genug und fallen als Regen. Jeder Regentropfen ist ein kleiner, aber wichtiger Teil des Wasserkreislaufs, der unseren Planeten umspannt.