Heiter bis Stürmisch

HBS003 Wie entsteht Regen

19 April 2020

Ob es sich nun um einen kräftigen Schauer, lang anhaltenden Landregen oder um kleintropfigen Niesel handelt, der Entstehungsmechanismus der fallenden Tropfen ist recht ähnlich. Wie kommt es eigentlich, dass dieser überhaupt vom Himmel fällt?

Zunächst einmal benötigen wir Luft, die erwärmt wurde wie zum Beispiel von der Sonne und aufsteigt. In der Luft ist auch immer ein gewisser Teil an Wasser enthalten, also Wasser in seinem gasförmigen Zustand. Erst wenn der Wasserdampf wieder flüssig wird, können wir ihn sehen, und zwar in Form von Wolken. Vorher ist der Wasserdampf ein unsichtbares Gas und sollte daher nicht mit einer Wolke verwechselt werden.

Grundsätzlich gilt (für Luft): Warme Luft nimmt mehr Wasser(dampf) auf als kalte Luft. Das kann man mit der sogenannten idealen Gasgleichung ausrechnen. Im Prinzip geht das ganz leicht und mit einer kurzen Rechnung ergibt dann beispielsweise Folgendes:

Nehmen wir an die Luft soll komplett mit Wasser gefüllt sein, man spricht auch von gesättigter Luft, dann beträgt die relative Luftfeuchte 100%. Die Luft kann dann nicht mehr Wasserdampf aufnehmen. In dem Fall, dass die Luft doch noch mehr Wasserdampf aufnimmt, kondensiert der Wasserdampf und es entstehen kleine Wassertröpfchen. Nehmen wir nun weiter an draußen sind es 20 Grad Celsius, eine schön warme Frühlingstemperatur. Nach der idealen Gleichung kann die Luft dann 17,5 g Wasser pro Kubikmeter speichern. Bei 40 Grad Celsius also bei doppelten Temperaturwerten wird das dreifache an Wasserdampf von der Luft aufgenommen (genauer sind das 54,6 g Wasser pro Kubikmeter Luft) bevor der Wasserdampf kondensiert. Je wärmer es ist, desto mehr Wasser wird also von der Luft gehalten.

Kommen wir nun zu unserer aufsteigenden Luft zurück. Auf dem Weg nach oben wird es immer kälter. Denn mit der Höhe nimmt auch die Temperatur ab. Je weiter die Luft also aufsteigt und sich abkühlt, desto weniger Wasser kann sie tragen. Die aufsteigende Luft erreicht so irgendwann ihren Sättigungspunkt. Dann ist die Luft mit Wasserdampf gefüllt und kann keinen weiteren Wasserdampf aufnehmen. An den sogenannten Kondenstationskernen lagert sich nun der Wasserdampf an. Kondensationskerne sind zum Beispiel Staub, Salz- oder Rußpartikel aber auch Pollen gehören dazu.

Die nun mit Wasser umgebenen Kondensationskerne sind nun sogenannte Wolkentröpfchen. Wolkentröpfchen sind wirklich ziemlich winzig und sehr leicht. Ihre Größe bewegt sich im hundertstel Millimeterbereich und sind damit im Bereich von dem Durchmesser eines Spinnenfadens. Das macht sie sehr leicht und fast schwerelos und bleiben problemlos in der Schwebe. Somit ist der erste Schritt für die Entstehung von Regen erreicht. Wir haben Wolken.

Die nächste Frage ist jetzt: Was passiert in der Wolke, damit es regnet?

Eine Idee ist, dass die Wolkentröpfchen immer mehr werden. Durch weiteres Ansammeln von Wasserdampf werden die Wolkentröpfchen größer und führen irgendwann zu Regen. Dieser Prozess dauert allerdings in der Regel sehr lange. Viel zu lange, um so zum Regen zu führen. Das Ansammeln von Wasserdampf kann daher praktisch als Niederschlagsgrund ausgeschlossen werden. Es muss also noch etwas weiteres geben, dass das Anwachsen der kleinen Wolkentropfen herbeiruft und schließlich den Regen verursacht.

Bei der Entstehung des Regens spielt der kompliziert klingende Prozess der Koalezsenz eine wichtige Rolle. Bei der Koalezsenz stoßen die kleinen Wassertröpfchen zufällig zusammen und verbinden sich dabei ab und zu. Der Grund für das Zusammenfließen der Wolkentröpfchen liegt in der Oberflächenspannung der Tropfen. Die versuchen nämlich ihre Oberfläche möglichst gering zu halten. Zwei kleinere Tröpfchen haben zusammen eine größere Oberfläche, als das aus ihnen entstehende einzelne größere Tröpfchen. Weil so die Oberfläche kleiner ist, verbinden sie sich. Das größere aber immer noch sehr kleine Tröpfchen ist nun etwas schwerer und sinkt in der Wolke in Richtung Boden. Auf dem Weg durch die Wolke nimmt es entweder weitere kleine Tröpfchen auf und wächst weiter an oder aber das Tröpfchen leiten die anderen Tröpfchen einfach um sich herum. Damit unser kleines Wolkentröpfchen die Größe eines Regentropfens erreicht, muss es etwa eine Million Wolkentropfen aufnehmen. Es hat also einen langen Wachstumsprozess vor sich. Erst wenn das Wolkentröpfchen weit genug angewachsen ist um nicht mehr in der Schwebe gehalten zu werden, wird es zu schwer und fällt zu Boden. Und wenn es aus der Wolke raus fällt, ist es ein Regentropfen.

Der auf diese Art entstehende Regen, kommt vor allem bei Nieselregen bzw. dem Sprühregen vor. Hierbei gibt es oft viele Kondensationskerne, die sehr viele kleine Wolkentröpfchen bilden statt wenige große Tropfen. Ein weiterer Grund warum durch das Zusammenfließen bzw. der Koalezsenz nur Sprühregen entsteht, ist der Feuchtegehalt der Luft. In den außertropischen Breiten wie zum Beispiel bei uns ist der Feuchtegehalt einfach zu gering, um großtropfigen Regen wie bei einem Schauer entstehen zu lassen. Die Tropfengröße des Sprühregens ist mit etwa 0,3 mm sehr klein. Dementsprechend ist auch die Fallgeschwindigkeit des Regentropfens mit rund 2 m/s (200 cm/s) recht gering.

Und was passiert bei einem Schauer oder in einer Gewitterwolke? Aus denen fallen ja oft recht große Regentropfen. Sie platschen regelrecht auf den Boden. Ein Unterschied zu dem Nieselregen sind die viel stärkeren Aufwinde innerhalb der Wolke. Aber sind die Winde alleine dafür verantwortlich, dass die Regentropfen so viel größer werden können? Die Antwort lautet ja und nein. Der Wachstumsprozess durch das Zusammenfließen der Tropfen benötigt hohe Wasserdampfmengen, die in den außertropischen Breiten eben nicht vorhanden sind. In den Tropen hingegen haben wir hohe Temperaturen und eine hohe Luftfeuchtigkeit. Daher kann die Koaleszenz in diesen Breiten zur Ausbildung von großen Regentropfen führen. Außerhalb der Tropen wie bei uns muss es also noch einen anderen Effekt geben, der zu den großen Regentropfen führt.

Schauer- und Gewitterwolken reichen oft bis in große Höhen. Die Temperaturen reichen dann oft weit in den Minusbereich. Neben den Wassertropfen entstehen dann auch Eiskristalle. Im frühen 20. Jahrhundert hatte der berühmte deutsche Meteorologe Alfred Wegener die Idee, dass die Eiskristalle in den höheren Wolkenschichten verantwortlich für die Niederschlagsbildung sind. Aber die Idee trifft es noch nicht ganz. Etwas später haben der schwedische Meteorologe Tor Bergeron und der deutsche Meteorologe Walter Findeisen die Vermutung zur heute allgemein anerkannten Theorie, den Bergeron-Findeisen-Prozess, weiterentwickelt. Die Mischwolken, die neben Wassertropfen auch Eiskristalle enthalten, sind also für die Niederschlagsbildung verantwortlich. Das Vorhandensein von Wasser und Eis ist also entscheidend.

In den Mischwolken ist dabei etwas spannendes zu beobachten. Nur weil die Temperatur in der Wolke niedriger als Null Grad ist, bedeutet das nicht automatisch, dass das Wasser sofort gefrieren muss. Es braucht nämlich Kondensationskerne, damit das Wasser gefriert und Eiskristalle bildet. Sind nicht genügend Kondensationskerne vorhanden, bleibt das Wasser flüssig. Und wird als "unterkühltes Wasser" bezeichnet. Erst wenn die Luft kälter als -40 Grad Celsius ist, treten nur noch Eiskristalle in der Wolke auf. Das bedeutet zwischen Null und -40 Grad sind in der Wolke sowohl Eiskristalle als auch unterkühlte Wassertropfen vorhanden. Und nun spielt eine Besonderheit von Eis eine wichtige Rolle. Eis (als fester Körper) kann besser den Wasserdampf aus der Luft an sich binden als die unterkühlten Wassertropfen. Während die Luft über Eis bereits gesättigt ist und das ist sie schon bei knapp 90% Luftfeuchte, nimmt die Luft über den Wassertropfen immer noch Wasserdampf auf. Die Luftfeuchte über den Wassertropfen muss nämlich 100% erreichen bevor sie gesättigt ist. Hier gibt es nun eine Diskrepanz.

Und die hat zwei wichtige Folgen. Zum einen wachsen die Eiskristalle bereits, wenn die relative Feuchte noch unter 100% liegt. Damit die Wassertropfen aber wachsen, muss die Luftfeuchte erst mal auf 100 kommen. Die Eiskristalle werden also größer, während die Wassertropfen noch nicht einmal entstanden sind. Und die zweite Folge ist, dass die Eiskristalle den Wassertropfen den Wasserdampf praktisch klauen und die Wassertropfen so zum Verdunsten bringen und sogar wieder kleiner werden lassen können. Optimale Wachstumsbedingungen also für die Eiskristalle. Die nun schwereren Eiskristalle fallen nach unten und stoßen dabei mit weiteren Wassertropfen oder anderen Eiskristallen zusammen. Dabei frieren die Wassertropfen an der Oberfläche der Eiskristalle fest oder die Eiskristalle verhaken sich mit anderen Eiskristallen. So werden diese schnell größer. Auf dem Weg nach unten erwärmt sich der Eiskristall, schmilzt und kommt am Erdboden als ein großer flüssiger Regentropfen an. Die Regentropfen können auf diese Weise einen Durchmesser bis zu 5 mm erreichen. Der Regentropfen ist nun etwa 17 mal zu groß wie der Tropfen des Nieselregens. Und fällt außerdem mit vierfacher Geschwindigkeit wie der Nieselregen zu Boden (800 cm/s). Bleibt die Temperatur bis zum Boden jedoch unter Null Grad wie im Winter, dann beobachten wir den Eiskristall als Schneeflocke bzw. festen Niederschlag.

Und gibt es auch noch größere Regentropfen? Nein, denn der Regentropfen wird ab dieser Größe instabil. Auf seinem Weg nach unten wird er regelrecht aus einander gerissen. Dabei entstehen viele kleine, die nun erneut anwachsen. Bei kräftigen Aufwinden können die Eiskristalle immer weiter anwachsen und so unter Umständen als Graupel oder Hagel zu Boden fallen.

Aber das ist Thema für ein anderes Mal.

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