Cumulonimbus Wolken (Cb)
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Mikrophysik in Cumulonimbus Wolken


CbWolke.jpg:
Eine der beiden Möglichkeiten der Entstehung von Regen innerhalb der Wolken wird als "kalte Art" bezeichnet. Voraussetzung dafür sind Wolken, die eine bedeutsame vertikale Ausdehnung haben. Dies ist beispielsweise für Gewitterwolken erfüllt, die von Höhen ab etwa 1 bis 2 km bis in die Tropopausenregion bei 10 bis 12 km (und in den Tropen bis 18 km) reichen können.

Die Aerosolpartikel bilden die "Keime" an denen sich durch Kondensation von Wasserdampf die Wolkentröpfchen bilden (siehe unten Hydrometeore.jpg). Einmal entstandene Wolkentröpfchen werden durch die starken vertikalen Winde im Inneren der Wolken schnell in hohe Höhen transportiert. Bei Wolken mit Unterkühlungen von mehr als 10 Grad unter den Gefrierpunkt tritt Vereisung ein. Aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks von Wasser über Eis erfolgt effektivere Aufnahme von Wasserdampf durch die Eiskristalle als durch Wassertröpfchen. Dies bedeutet, dass die Eisteilchen in den gemischtphasigen Wolken effektiv schneller anwachsen als gegebenenfalls gleichzeitig vorhandene Wassertröpfchen.

Im Extremfall verdampfen die flüssigen Tröpfchen sogar und der frei werdende Wasserdampf wird durch die Eiskristalle "konsumiert" (Wegener-Bergeron-Findeisen Effekt). Sind die Eisteilchen schwer genug geworden, so fallen sie auch innerhalb der Wolke wieder abwärts. Auf ihrem Weg nach unten werden sie in Regionen kommen, in denen die Temperaturen wieder oberhalb von 0 °C sind. Dann schmelzen die Eisteilchen. Die dabei entstehenden Wolkentropfen sind nun größer als die ursprünglich einmal nach oben getragenen Wolkentropfen. Geraten die nach dem Schmelzprozess größeren Tropfen nun wieder in eine Region innerhalb der Wolke, in der starke Aufwinde herrschen, so werden diese, jetzt schwereren, Tropfen wieder in die Höhe transportiert.

Erneutes Vereisen der größeren Tropfen und auch die Anlagerung von kleineren Tröpfchen durch Bereifung führen nun dazu, dass sich "Graupelkerne" bilden. Werden die Graupelkerne nun durch weiteres Anfrieren von unterkühlten Wassertröpfchen oder Eisteilchen schwer genug, so fallen sie auch innerhalb der Wolke wieder herunter. Erneut können sie bei wärmeren Temperaturen als 0 °C zum Schmelzen gebracht werden. So können die "Hydrometeore" in hochreichenden Wolken mehrfach aufwärts und abwärts "oszillieren". Man muss bedenken, dass Vertikalaufwinde in solchen Wolken Geschwindigkeiten bis 60 m/s erreichen, was Hagelkörnern von über 10 Zentimetern Durchmesser das luftgetragene Schweben ermöglicht.

Irgendwann jedoch wird das Hagelsteinchen so groß geworden sein, dass auch die starken Aufwinde innerhalb dieser Wolken das Objekt nicht mehr halten können. Dann fallen die Hagelsteine aus den Wolken heraus und es entsteht Hagel- oder Graupelniederschlag.

Sind die Temperaturen unterhalb der Wolke warm genug, können die Hagelsteinchen beim Fall zum Boden wieder schmelzen. Dann empfinden wir diesen Niederschlag als kalten Regen, der besonders bei sommerlicher Hitze mit hochreichenden Gewitterwolken assoziiert ist. Auf diese Weise entsteht der sogenannte "kalte Niederschlag" in der Erdatmosphäre.

 

Hydrometeore.jpg:
Wesentliche Elemente für die wolkenmirophysikalischen Vorgänge im Zusammenhang mit den verschiedenen Hydrometeoren sind die in der Luft immer vorhandenen Aerosolpartikel. Bei der schwacher Übersättigung bezüglich Wasserdampf, wie sie die Atmosphäre im günstigsten Fall bietet kann, kann sich an einigen dieser Aerosolpartikeln der Wasserdampf niederschlagen in einem Prozess, der als "Kondensation" bezeichnet wird. So werden die Aerosolpartikel zunehmend mit Wasser überdeckt, bis ein richtiges Wolkentröpfchen mit einem Aerosolpartikelkern entstanden ist. (Wenn das Material des Partikels komplett wasserlöslich ist, entstehen auch gelegentlich vollkommen flüssige Wolkentropfen.) Unter Bedingungen, die in der Atmophäre verzufinden sind, läuft dieser Übergang vom trockenen oder in der Feuchte angequollenen Aerosol-partikel zum Wolkentröpfchen in Millisekunden ab. Sind einmal Wolkentropfen entstanden, dann können innerhalb der Wolke eine Vielfalt von weiteren mikro-physikalischen Prozessen ablaufen. Die wesentlichen sind in dem Bild symbolisch angedeutet.

Die Wolkentröpfchen wachsen durch weitere Kondensation zu großen Tröpfchen oder "Nieseltropfen" an. Kollisionen - das heißt das Zusammenstoßen von in der turbulenten Wolkenluft herumwirbelnden Wolkentröpfchen- können dazu führen, dass diese miteinander verfließen und damit noch größere Objekten - die "Wolkentropfen"- bilden. Die Entstehung der Wolkentröpfchen durch das Zusammenwirken aus Aerosolpartikeln und gasförmigem Wasserdampf wird als "heterogene Nukleation" bezeichnet.

Dies ist der fundamentale Prozess innerhalb der irdischen Wolken, der zur Entstehung von Wolkentröpfchen führt. Die Tröpfchen, die sich innerhalb der Wolken befinden, sind etwa 100 µm groß und als solche zu klein um Niederschlag zu bilden. Dies liegt daran, dass ihre Fallgeschwindigkeit dafür zu niedrig ist. Durch die Aufnahme von Wasserdampf können diese Tröpfchen auch nicht zu Größen im Millimeterbereich heranwachsen, die sie zum "Niederschlagen", d.h. genügend schnellem Herunterfallen, befähigen. Daher muss ein anderer Prozess für die Niederschlagsbildung verantwortlich sein.

Die "warme Art" der Entstehung von Regen besteht darin, dass solche 100 µm großen Wolkentröpfchen miteinander kollidieren und zusammenfließen. Dieser Prozess wird als "Kollision-Koaleszenz" bezeichnet. Auf diese Weise entstehen größere Tropfen, die nun schneller fallen als in der Umgebung befindliche kleinere Wolkentropfen.

Auf ihrem Weg nach unten "fangen" die größeren Tröpfchen durch Kollision weitere Tröpfchen ein zum verstärkten Anwachsen. Läuft der Prozess der Kollision und Koaleszenz lange genug ab, entstehen niederschlagsfähige Tröpfchen. Werden diese im Laufe der Zeit größer als etwa 8 bis 9 mm, dann zerplatzen sie beim Fall in oder aus der Wolke. Das passiert, weil sie aerodynamisch instabil werden und sich Oszillatonen in der Tropfenform mit zunehmender Amplitude ausbilden, die letztlich zum Aufbruch führen.

Wenn die Temperaturen innerhalb einer Wolke unter den Gefrierpunkt reinen Wassers sinken, dann werden sich die Wolkentröpfchen unterkühlen, aber noch nicht gefrieren. Bei weiterer -zum Teil erheblicher- Temperaturabsenkung tritt dann Gefrieren der kleinen Wolkentröpfchen ein. Wenn gefrorene Wolkentröpfchen, also kleine Eiskugeln mit noch flüssigen, dabei unterkühlten, Tröpfchen kollidieren, findet der Prozess der "Bereifung" statt, bei dem die unterkühlten Tröpfchen an dem vereisten Objekt festfrieren. Bei zunehmender Bereifung entstehen auf diese Weise die "Graupelkerne". Doch die atmosphärischen Aerosolpartikel führen nicht nur zur Bildung von Wolkentröpfchen. Manche, spezielle Aerosolteilchen können als sog. "Eiskeime" dienen. An diesen bilden sich bei genügend tiefen Temperaturen atmosphärische Eiskristalle, aus denen die Cirren bestehen. Wachsen die Eiskristalle durch weitere Diffusion von Wasserdampf heran, können in den Cirren millimetergroße Eispartikel resultieren. Kollidierende Eiskristalle können bei entsprechenden Temperaturen aneinander haften bleiben und damit noch weiter wachsen. Wenn einige dieser Eiskristalle bis zu einigen hundert dieser Eiskristalle durch Kollision aneinander haften bleiben entstehen "Schneeflocken".

 

CbWolke.jpg: S. Borrmann, Vortragsfolie, 27.11.2003

Hydrometeore.jpg: H. Vössing, Dissertation, 2002