E3 Physik von Wasserdampf, Wolken und Mikrophysik

Thema

Die Wolkenmikrophysik beschreibt, wie Hydrometeore entstehen, wachsen und schließlich ausfallen: die flüssigen Wassertröpfchen, Eiskristalle, Schneeflocken und Hagel, die sich in einer Wolke bilden. Dieser ganze Prozess beginnt damit, wie viel Wasserdampf die Luft aufnehmen kann, bevor sie gesättigt ist, eine Größe, die der Clausius-Clapeyron-Gleichung folgt: Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf zu halten, steigt exponentiell mit der Temperatur, sodass die Luft mit jedem Grad Temperaturanstieg etwa sieben Prozent mehr Wasserdampf aufnehmen kann als zuvor.

Wenn die relative Luftfeuchtigkeit kaum mehr als hundert Prozent beträgt, die Luft also leicht übersättigt ist, beginnt Wasserdampf an Kondensationskeimen zu kondensieren, winzigen Partikeln, die in der Luft schweben und den Dampfmolekülen eine Oberfläche bieten, auf der sie verklumpen können. Dieser Prozess ist die heterogene Keimbildung, der erste Schritt, der unsichtbaren Wasserdampf in das erste Flüssigkeitströpfchen der Wolke umwandelt.

Sobald sich dieser erste Tropfen gebildet hat, wächst er durch Dampfdiffusion nach der Maxwell-Gleichung: Größere Tröpfchen wachsen schneller als kleinere, weil sie über eine größere Oberfläche verfügen, auf der Wasserdampf weiter kondensieren kann. Dieser Vorteil großer Tröpfchen wird entscheidend, wenn der Kollisions-Koaleszenz-Prozess ins Spiel kommt, der dominierende Mechanismus der Regenbildung in warmen Wolken: Größere Tröpfchen, die schneller fallen als kleinere, erreichen sie, kollidieren mit ihnen und verschmelzen zu einem einzigen, noch größeren Tropfen; Und je größer ein Tropfen wird, desto schneller fällt er und desto mehr kleine Tröpfchen kann er auf seinem Weg einfangen, so dass der Tropfen selbst, der heute kollidiert, morgen größer ist und dieser größere Tropfen erneut mit noch größerer Kraft kollidiert, bis die zunehmende Größe des Tropfens zum Motor seines eigenen Wachstums wird und schließlich einen Regentropfen bildet.

In Mischwolken existieren nur teilweise vergletscherte, unterkühlte Flüssigkeitströpfchen neben Eiskristallen, und ein dritter Wachstumsmechanismus kommt ins Spiel: der Bergeron-Findeisen-Prozess. Der Sättigungsdruck auf Eis ist geringer als der Sättigungsdruck auf flüssigem Wasser, sodass die Luft, die im Gleichgewicht mit den unterkühlten Flüssigkeitströpfchen steht, gegenüber dem Eis übersättigt ist; Der Wasserdampf kondensiert dann vorzugsweise auf den wachsenden Eiskristallen, während die diese Kristalle umgebenden unterkühlten Flüssigkeitströpfchen verdampfen und den Dampf ersetzen, den die Eiskristalle verbrauchen. So wachsen in einer Mischwolke Eiskristalle auf Kosten der sie umgebenden unterkühlten Flüssigkeitströpfchen.

Um alle diese Prozesse innerhalb eines numerischen Modells darzustellen, ohne Tropfen für Tropfen oder Kristall für Kristall zu verfolgen, wird die Wolkenmikrophysik parametrisiert, indem stattdessen beschrieben wird, wie die Größen aller Tröpfchen oder Kristalle in einer Wolke auf einmal verteilt sind, indem Größenverteilungen mit einer charakteristischen Form verwendet werden und das kollektive Verhalten dieser gesamten Verteilung in einigen wenigen Größen zusammengefasst wird: der Gesamtmasse, der Gesamtzahl der Partikel und dem vom Ensemble erzeugten Gesamtreflexionsvermögen.

Das erwartete Ergebnis dieser gesamten Kette – vom ersten Tropfen, der auf einem Kondensationskern entsteht, bis zur Kollisions-Koaleszenz oder dem Bergeron-Findeisen-Prozess, der sie wachsen lässt – besteht darin, dass die Wolke zwanzig bis vierzig Minuten nach ihrer Entstehung mit der Niederschlagsbildung beginnt, mit einer Niederschlagsrate, die proportional zum gleichen Reflexionsvermögen ist, das vom Wetterradar gemessen wird: Je größer das Reflexionsvermögen, das von den Hydrometeoren der Wolke erzeugt wird, desto größer ist die Niederschlagsrate, die diese Wolke abwirft. Somit verbindet die Wolkenmikrophysik in einer einzigen Kette die unsichtbare Feuchtigkeit der Luft mit dem Regen, Schnee oder Hagel, der letztendlich den Boden erreicht.

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