Im Thema des Tages vom 23. Oktober 2018 wurde eindrucksvoll erläutert, dass es sich bei Wolken ganz und gar nicht um "flauschige Leichtgewichte" handelt. Im Gegenteil: Alleine der Wassergehalt einer Schönwetterwolke bringt hunderte von Tonnen auf die Waage, bei ausgewachsenen Gewitterwolken sind es sogar über eine Million Tonnen. Damit trifft es die Bezeichnung "meteorologisches Schwergewicht" wohl eher. Bei einem interessierten Leser kam dabei allerdings die Frage auf, aus welcher Wolke es denn schließlich regnet. Wie entsteht denn Regen?
Bereits in der Schule wird das Wissen über den Wasserkreislauf vermittelt. An dessen Anfang steht die Verdunstung von Wasser. Scheint die Sonne, erwärmt sich die Erdoberfläche und somit auch die bodennahe Luftschicht. Dabei verdunstet Wasser vom Boden, aber auch aus Flüssen und Seen oder von der Vegetation und wird zu Wasserdampf. Die erwärmte Luft, die leichter ist als vergleichsweise kalte, steigt in der Folge zusammen mit dem Wasserdampf in höhere, aber auch kältere Luftschichten auf. Dabei kühlt sie sich ab. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf speichern kann als wärmere, wird ab einer gewissen Höhe und Abkühlung die sogenannte Taupunkttemperatur erreicht, bei der die Luft gesättigt ist und Kondensation einsetzt. Dann bilden sich viele winzige Wassertröpfchen, die wir als Wolke wahrnehmen. In großen Höhen, wo die Temperatur deutlich unterhalb des Gefrierpunktes liegt, können auch kleine Eiskristalle entstehen, die in ausreichender Menge Eiswolken bilden.
Häufig entstehen Niederschläge durch komplexe Vorgänge, bei denen auch die Eisphase eine Rolle spielt. Bleiben wir der Einfachheit halber aber bei den sogenannten Wasserwolken: Wann regnet es nun aus den Wolken?
Damit die winzigen Wassertröpfchen schließlich zu Regentropfen anwachsen, reicht die Kondensation von Wasserdampf alleine nicht aus. Wesentlich effektiver ist das Zusammenfließen (Koaleszenz) von Wolkentröpfchen. Beinhaltet die Wolke nun unterschiedlich große Tropfen, sinken die größeren schneller ab als kleine. Dabei kollidieren sie miteinander, was das Tropfenwachstum weiter beschleunigt. Erreicht der Tropfen schließlich eine kritische Masse, sodass seine Sinkgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der aufsteigenden Luftmasse übersteigt, fällt der Tropfen zum Erdboden. Mangelt es allerdings an Feuchtigkeit oder ist die Aufwärtsbewegung der Luftmassen zu gering, bilden sich keine ausreichend großen Tropfen, womit es unter den Wolken trocken bleibt.
Die Fallgeschwindigkeit des Regentropfens hängt dabei von seiner Größe, Form und der ihn umgebenden Luftströmung ab. In der Regel fallen kleine Tropfen langsam, große Tropfen hingegen schnell. Ihre maximale Geschwindigkeit erreichen Tropfen dann, wenn der Luftwiderstand des Tropfens im Gleichgewicht mit seiner Schwerkraft ist. Um an dieser Stelle jedoch keine allzu komplexen Berechnungen anstellen zu müssen, kann man sich einer groben Faustregel zur Berechnung der Fallgeschwindigkeit bedienen: Die Fallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (m/s) entspricht etwa dem doppelten Tropfendurchmesser in Millimetern. Bei einem mäßigen Landregen besitzen die Tropfen in der Regel einen Durchmesser von etwa einem Millimeter. Folglich weisen diese Tropfen eine Fallgeschwindigkeit von ungefähr 2 m/s (= 7,2 km/h) auf. Bei einem sommerlichen Starkregenereignis sind die Tropfen größer. Diese messen etwa 2 bis 8 Millimeter, was einer Geschwindigkeit von bis zu 16 m/s (= 57,6 km/h) entsprechen würde. Allerdings können kalte Fallwinde die Geschwindigkeit der Tropfen noch deutlich erhöhen.
Und was passiert nun mit dem Regen, der auf den Erdboden fällt? Dieser versickert schließlich wieder im Boden, fließt in Flüsse und Seen ab oder wird von der Vegetation aufgenommen. Dann kann das Wasser erneut verdunsten, womit sich der Wasserkreislauf schließt.
MSc.-Met. Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 08.11.2018
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst