Wolken

Wolken sind ein beeindruckendes Naturschauspiel. Wie aus dem nichts bilden sich immer wieder neue Wolken, verändern sich in Form und Farbe und lösen sich wieder auf. Eine Wolke ist, wie das aus dem althochdeutschen stammende Wort "Wolka", was soviel wie "die Feuchte" bedeutet, nahelegt, eine in der Luft schwebende Ansammlung von sichtbaren kleinen Kondensations- und/oder Resublimationsprodukten des atmosphärischen Wasserdampfes, also von Wassertropfen bzw. -tröpfchen und/oder Eiskristallen. Dementsprechend unterscheidet man neben reinen Wasserwolken auch Misch- sowie pure Eiswolken. Wassertröpfchen entstehen dabei durch Kondensation der Luftfeuchtigkeit. Wolken treten hauptsächlich in der Troposphäre auf, also der untersten Schicht der Atmosphäre, in der sozusagen "das Wetter stattfindet".

Wolken türmen sich manchmal kilometerhoch auf. Unten sind sie oft flach (Wolkenuntergrenze). An dieser Stelle liegt die Temperaturgrenze, an der Wasserdampf zu den kleinen Wassertröpfchen kondensiert, die dann die sichtbare Wolke bilden: das Kondensationsniveau. Eine große Wolke besteht aus unzähligen kleinen Wassertröpfchen, fast so viele, wie es Sterne im Universum gibt, die meist einen mittleren Durchmesser von weniger als 0,02 mm haben. Zusammen können sie über 200 t wiegen. Trotz dieses enormen Gesamtgewichts halten die Aufwinde in der Wolke die Wassertröpfchen am Schweben - bis in Höhen von über 14 km. Andererseits kann eine kleinere Wolke von der Größe eines Wohnblocks auch nur 1 l Wasser enthalten. In der gesamten Erdatmosphäre schweben so ständig rund 15 Billionen Tonnen Wasser. Diese gigantische Menge wird alle 10 Tage durch Regen und Verdunstung komplett ausgetauscht. Würde man aber das gesamte kondensierte Wasser der Atmosphäre gleichmäßig um den Globus verteilen, erhielte man trotzdem nur einen Wasserfilm, der 2 Zehntelmillimeter dick ist. Durchschnittlich ist über die Hälfte des Himmels von Wolken bedeckt.
Wasserwolken haben häufig eine klare äußere Kontur, weil die Tröpfchen am Wolkenrand entstehen und die Wolke mit ihnen wächst. Gleichwohl ist das eine optische Täuschung, die sich nur aus der Ferne betrachtet so ergibt. Jeder Pilot und Bergwanderer weiß, daß es bei der Annäherung an Wolken langsam immer nebliger wird. Darin liegt für beide eine nicht zu unterschätzende Gefahr. Eiswolken haben dagegen keine klare Kontur und sehen daher "verwaschen" aus.

Aber so wechselhaft und vergänglich sie auch sind, aus Art und Form der Wolken kann man bestimmen, welches Wetter sich daraus entwickeln wird. Bleibt es schön oder gibt es Regen oder sogar Gewitter?

Die Beobachtung der Wolken gibt Antwort auf derlei Fragen. Da die Wolkenbildung stets von bestimmten thermo-hydrodynamischen Prozessen in der Troposphäre verursacht wird, eignen sich Wolkenbeobachtungen hervorragend zur Interpretation des aktuellen Wetterzustandes und dessen kurzfristigen Änderungen. Der Augenschein der aktuellen Bewölkungsverhältnisse ist deshalb mit einer eingehenden Kenntnis über die Wolken für die Wettervorhersage immer noch unverzichtbar und neben den heutigen Computermodellen, Radardaten und Satellitenbildern nach wie vor eine wichtige Hilfe. In Ergänzung einer zuvor eingeholten Wetterberatung ist darum insbesondere für Bergwanderer und Sportflieger ein geschulter Blick in den Himmel unter Umständen lebensrettend oder zumindest nervenschonend.

Wie entstehen Wolken und Niederschlag?

Die Grundlagen zur Wolkenbildung und zum Niederschlag sind im Kapitel Niederschlag dargestellt.

Der Atmosphäre wird Wasserdampf durch Verdunstung von der Erdoberfläche zugeführt. Dies geschieht nicht nur auf den Ozeanen. Auch von den Seen. Flüssen, Sümpfen und dem sonstigen Erdboden der Kontinente sowie von der Vegetation verdunsten tagtäglich große Mengen an Wasser. Der meiste Wasserdampf wird aber von den tropischen und subtropischen Meeren freigesetzt, von wo aus er dann durch die allgemeine Zirkulation der Luft in die höheren Breiten transportiert wird. Als Niederschlag erreicht das Wasser dann wieder die Erdoberfläche. Das Wasser beschreibt so einen Kreislauf zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre.

Wasserdampfsättigung

Die Luft der Erdatmosphäre enthält deswegen immer mehr oder weniger Wasserdampf. Der Wasserdampfgehalt kann aber temperaturabhängig nur bis zu einem bestimmten Sättigungswert gesteigert werden. Dieser maximal mögliche Wasserdampfgehalt der Luft nimmt mit der Temperatur überproportional zu. Umgekehrt kann ein Luftvolumen immer nur bis zu einer bestimmten Temperatur abkühlen, bei der dann die Kondensation einsetzt. Diese Temperatur ist der Taupunkt. Bei weiterer Abkühlung lagert sich der überschüssige Wasserdampf entweder an festen Oberflächen (Taubildung) oder an Kondensationskernen an, wobei Tröpfchen entstehen. Als Kondensationskerne dienen kleinste, in der Luft fast immer reichlich vorhandene, atmosphärische Schwebteilchen (Aerosole) verschiedenster Herkunft.

Wolkenbildung

Wolken entstehen durch Abkühlung feuchter Luft unter die Taupunkttemperatur, wenn eine ausreichenden Zahl von Kondensationskernen in der Atmosphäre vorhanden ist. Meistens erfolgt die Abkühlung durch adiabatische Expansion der Luft bei Vertikalbewegungen wie z.B. beim Aufgleiten von Luftmassen an Fronten, orographischer Hebung an Bergen oder Konvektion, also überwiegend durch Dichteunterschiede infolge unterschiedlicher Erwärmung angetriebener vertikaler Strömungen in der Troposphäre. Aber auch andere Mechanismen wie Abkühlung infolge turbulenter Durchmischung oder langwellige Ausstrahlung kommen als wolkenbildende Ursachen in Betracht.

Da feuchte Luft nur etwa 62,5% des Gewichts trockener Luft hat, entwickelt sie Auftrieb und beginnt aufzusteigen, bis sie durch Abkühlung in höheren Luftschichten den Taupunkt erreicht und kondensiert. Verschiedene Parameter wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte bestimmen daher den Verlauf der Wolkenbildung. Schließlich verbinden sich die Tröpfchen und werden schließlich oft zu schwer, um noch von den Aufwinden getragen zu werden. Es beginnt aus der Wolke zu regnen. In vielen Fällen lösen sich die Wolken auch einfach wieder in nicht sichtbare Luftfeuchtigkeit auf. Sich auflösende Wolken am Himmel versprechen schönes Wetter für den Tag. Warme und feuchte Luft hat eine geringere Dichte als kalte, trockene Luft. Sie ist daher erheblich leichter und steigt auf, wie im Kapitel Adiabasie erläutert ist. Steigt ein mit Feuchtigkeit angereichertes Luftpaket (z.B. in Form einer Thermikblase) auf, kühlt es sich zunächst trockenadiabatisch ab. Wie schon in den Kapiteln Feuchte und Niederschlag gesehen, kann kühlere Luft weniger Feuchtigkeit aufnehmen als wärmere Luft. Da jedoch die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasser mit fallender Temperatur abnimmt, wird in einer bestimmten Höhe der Taupunkt und damit auch der Sättigungspunkt erreicht. Der Wasserdampfanteil, der nicht mehr von der Luft gebunden werden kann, kondensiert und fällt in Form von Wassertröpfchen aus. Eine Quellwolke (Cumulus humilis, Cumulus mediocris) entsteht. Diese Höhe ist dann das Kondensationsniveau.

Die Gründe für das Absinken der Temperatur einer warmen und feuchten Luftmasse sind unterschiedlich:

• Kontakt mit kalten Flächen wie z.B. große Wasserflächen (Seenebel)
• Mischung von warmen und kalten Luftmassen
• trocken-adiabatische Abkühlung
  - Temperaturveränderung von 1 °C / 100 m Höhenunterschied, ohne daß die relative Luftfeuchtigkeit überschritten wird (adiabatisch = ohne Wärmeaustausch)
• feucht-adiabatische Abkühlung
  - Temperaturveränderung von 0,65 °C / 100 m Höhenunterschied bei Überschreitung der relativen Luftfeuchtigkeit (Kondensation)
• Aufsteigen von Luftmassen durch intensive Sonneneinstrahlung (Konvektion)
• Auftsteigen an Hindernissen wie Gebirgen (orographische Hebung).

Kühlere Luft kann weniger Feuchtigkeit aufnehmen als wärmere Luft. Entscheidend für Nebel- und Wolkenbildung ist also die Stabilität der Luftschichtung, d.h. die Temperaturunterschiede der Luftschichten Wird die Luft nach oben hin immer kälter, so kann aufgewärmte Luft ungehindert aufsteigen = feuchtlabile Luftschichtung. Die entstehenden Wolken dehnen sich vertikal aus. Es kommt zur Bildung von Cumuluswolken. Ist nach kurzem Aufsteigen allerdings eine wärmere Luftschicht erreicht, ist ein Aufsteigen und Durchmischen der Luftmassen nicht möglich = stabile Luftschichtung = Inversion. Es kommt zur Bildung horizontaler Wolken als Schichtbewölkung, den sog. Stratuswolken. Die Höhe des Kondensationsniveaus und damit die Wolkenbasis hängt neben dem vertikalen Temperaturverlauf (Temperaturgradient) entscheidend auch von dem Feuchtigkeitsgehalt des aufsteigenden Luftpakets ab, weil dann die Sättigung schneller erreicht ist. Mit anderen Worten: Je feuchter die Luft, desto niedriger die Basis.   

In den Tiefdruckgebieten unserer Breiten, mit ihrer Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn, wird feuchtwarme subtropische Luft nach Nordosten transportiert. Dabei gleitet sie wegen ihrer geringeren Dichte auf die kältere Luft auf, wird angehoben, kühlt dabei ab und verursacht somit die Wolken an den Warmfronten der mittleren Breiten. Umgekehrt schiebt sich die Kaltluft auf der Westseite der Tiefdruckgebiete aus nördlichen Richtungen unter die wärmere Subtropenluft, hebt diese über das Kondensationsniveau an und verursacht dadurch die Wolken an der Kaltfront. Neben diesen advektiven Hebungen führt auch das erzwungene Aufsteigen beim Überströmen eines Hindernisses (Gebirge) zur Abkühlung der Luft und daher zur Kondensation und Wolkenbildung (orographische Hebung).

Zusammenfassend ist also festzuhalten, daß die unterschiedlichen Erscheinungsformen der Wolken abhängig sind vom konkreten Entstehungsprozeß der Wolke und somit auch von der Zusammensetzung der Wolkenpartikel.

Klassifizierung der Wolken

Die verschiedenen Entstehungsprozesse bewirken eine große Vielfalt von Erscheinungsformen der Wolken, was Aussehen, Ausdehnung und Zusammensetzung angeht. Dem tragen Wolkenklassifikationen Rechnung, die nach generischen oder morphologischen Aspekten aufgebaut sind:

• Die generische Klassifikation richtet sich nach der Entstehungsursache der Wolken, d.h. den zugrunde liegenden thermo-hydrodynamischen Prozessen. Auf diese Weise lassen sich recht einfach "Stratus- bzw. Schichtwolken", die durch das Aufgleiten warmer Luft auf eine kalte Luftmasse (Advektion) an Warmfronten entstehen, von Cumulus- bzw. Quellwolken unterscheiden, die durch konvektive Prozesse entstehen.
• Die morphologische Klassifikation erfolgt anhand des Erscheinungsbildes der Wolken, also von Form und Gestalt sowie ggf. der von ihnen hervorgerufenen optischen Effekte wie z.B. Schattenbereiche oder Interferenzerscheinungen.

Die früheste Wolkenklassifikation wurde von dem englischen Pharmazeuten und Hobbymeteorologen Luke Howard im Jahre 1803 vorgenommen. Er teilte dazu die Wolken in Familien, Gattungen, Arten und Unterarten ein. Diese Einteilung ist heute noch gemäß der verbesserten Klassifikation der Weltorganisation für Meteorologie (englische Abkürzung WMO = World Meteorological Organization) international gebräuchlich. Dabei werden das Erscheinungsbild, die Form, Größe und Gestalt der Wolke und die hervorgerufenen optischen Effekte wie Schatten oder Lichtdurchlässigkeit mit einbezogen.

Diese verbindlich gemachten internationale Wolkenklassifikation teilt  

•  10 Wolkengattungen (Cirrus, Cirrostratus, Cirrocumulus, Altocumulus, Altostratus, Cumulus, Cumulonimbus, Stratocumulus, Stratus, Nimbostratus)

in Abhängigkeit von der Höhenlage ihres Auftretens in der Troposphäre in

• 4 Wolkenfamilien ein:
• hohe Wolken (Cirrus - "Schleierwolken", Cirrostratus - "Höhendunst" sowie Cirrocumulus - "feine Schäfchenwolken") je nach Jahreszeit in 5 - 13 km Höhe,
• mittelhohe Wolken (Altostratus sowie Altocumulus - "grobe Schäfchenwolken") befinden sich in 2 - 7 km Höhe,
• tiefe Wolken (Stratus sowie Stratocumulus) in der Schicht vom Erdboden bis in 2 km Höhe und
• Wolken, die sich über mehrere "Stockwerke" erstrecken, das sind hoch aufragende Quellwolken (Cumuli), Cumulonimbus ("Gewitterwolken") und Nimbostratus ("Regenwolken").

Den hohen Wolken ist noch eine weitere Gattung zugewiesen, die sog. Schleierwolken (Cirrus). Diese bestehen vollständig aus Eiskristallen und ähneln insoweit den bekannten Kondensstreifen hochfliegende Flugzeuge. Im tiefen "Stockwerk" existiert noch eine Mischform aus Stratus und Cumulus (Stratocumulus), die im Grunde wie eine schichtförmige Wolke aussieht, in der aber noch die markanten Strukturen der Cumuluswolken zu erkennen sind.

Noch feinere Unterscheidungsmerkmale führen zu insgesamt 14 "Wolkenarten" und neun "Wolkenunterarten", welche durch nachgestellte lateinische Adjektive beschrieben werden. Die Wolkenart wird durch die Gestalt der Wolke festgelegt. So erhält beispielsweise eine linsenförmige Wolke den Beinamen lenticularis oder eine hakenförmige Wolke den Beinamen uncinus. Die Unterarten klassifizieren die Wolken dann noch genauer, z.B. gehört eine Wolke, welche die Sonne besonders gut durchscheinen läßt, zur Unterart translucidus. Der lateinische Name für eine mittelhohe, strukturlose, nebelartige aber durchscheinende Schichtwolke ist dann "Altostratus nebulosus translucidus" (abgekürzt As neb tr). Außerdem gibt es noch wiederum 9, durch spezielle (thermo-)dynamische Vorgänge in der Troposphäre hervorgerufene "Wolkensonderformen" wie z.B. die mit Tornados verbundenen "Trichterwolken". Nicht zuletzt sind Dunst und Nebel natürlich auch Wolken.

Daraus ergeben sich also insgesamt 10 Wolkengattungen, 4 Wolkenfamilien, 14 Wolkenarten, 9 Wolkenunterarten und 9 Sonderformen und Begleitwolken.

Die Wolkenfamilien werden somit durch die Wolkenhöhe ("Stockwerke"; die angegebenen Werte gelten für die mittleren Breiten) festgelegt:

• tiefe Wolken in einer Höhe von 0 bis 2 km,
• mittelhohe Wolken in einer Höhe von 2 - 7 km und
• hohe Wolken in einer Höhe 5 - 13 km.
• Wolken, die eine große vertikale Erstreckung besitzen und sich somit über alle "Stockwerke" reichen.

Die Wolkengattungen unterteilen die Familien in der Regel in 2 Grundformen:

• haufenförmige Wolken (Cumulus) und
• schichtförmige Wolken (Stratus).

Ist somit die Familie und Gattung der Wolke bekannt, ergibt sich daraus der Name bzw. die Bezeichnung der Wolke. Für die tiefen Wolken gibt die Gattung den Namen vor. Bei hohen Wolken kommt ein "Cirro-" vor die Gattungsbezeichnung, bei den mittelhohen Wolken ein "Alto-" und bei vertikal mächtigen Wolken ein "Nimbo-". Die im Volksmund als Schönwetterwolken bezeichneten Cumuluswolken gehören also zur Familie der tiefen Wolken und zur Gattung der haufenförmigen Wolken. Je nach Erscheinungsform erhalten sie unterschiedliche Beinamen (Wolkenart):

• humilis: horizontale Erstreckung ist größer als die vertikale, die Wolke ist also breiter als hoch;
• mediocris: mittelgroße Wolke;
• congestus: vertikale Erstreckung ist größer als die horizontale, die Wolke ist also höher als breit.

Wolkenstockwerke

Wolken können zwischen der Erdoberfläche und einer Höhe von etwa 14 km auftreten. Nach der heute üblichen Klassifizierung der World Meteorological Organization (WMO), festgehalten im Internationalen Wolkenatlas, werden Wolken nach der Höhe ihrer Untergrenze in 4 Wolkenfamilien eingeteilt – hohe, mittelhohe, tiefe und solche, die sich über mehrere Stockwerke der Troposphäre erstrecken - vertikale Wolken. Häufig sind mehrere Wolkenformen gleichzeitig vorhanden, die sich gegenseitig überdecken können.

Die Höhenlagen der Wolkenstockwerke variieren mit der geographischen Breite, da die unterste Schicht der Atmosphäre – die Troposphäre – am Äquator rund doppelt so hoch reicht wie an den Polen. Im Winter sind die Wolkenstockwerke aufgrund der niedrigeren Temperatur und damit höheren Luftdichte niedriger als im Sommer. Die Höhen orientieren sich an der Lage der Tropopause, die örtlich wie zeitlich variabel ist und nicht gleichförmig von den Polen zum Äquator ansteigt. Die folgenden Höhenangaben stellen daher nur Orientierungswerte dar.

• Hohe Wolken (Eiswolken) finden sich oberhalb von 7 km Höhe und sind meist dünne, weißliche Gebilde, die wie Federn oder Fasern aussehen und aus Eiskristallen bestehen. Sie werden als Cirruswolken bezeichnet und haben die Vorsilbe Cirro.
• Mittelhohe Wolken liegen zwischen 2 und 7 km Höhe. Sie bilden oft eine einförmig graue Schicht und bestehen aus Eiskristallen und Regentropfen. Ihr Name beginnt immer mit der Vorsilbe Alto.
• Tiefe Wolken erstrecken sich zwischen der Erdoberfläche und etwa 2 km Höhe. Sie bestehen aus Wassertropfen.

Wolkenarten

Grundsätzlich unterscheidet man nach dem Aussehen die (stratiformen) Schichtwolken, die (cumuliformen) Haufenwolken oder Quellwolken und die schleierförmigen Wolken, die in verschiedenen Höhen der Troposphäre auftreten können. Während die Schichtwolken durch großflächige Hebung ganzer Luftschichten entstehen, spielt bei der Entstehung von Haufenwolken die kleinräumige vertikale Vermischung die Hauptrolle. Besonders auffallend sind die großen Haufenwolken, die mehrere Kilometer aufragen und oft eine Eiskappe haben.

Diese 4 Wolkenfamilien werden wiederum in insgesamt 10 Wolkengattungen unterteilt, die sich gegenseitig ausschließen, d.h. eine bestimmte Wolke kann nur zu einer Gattung gehören. Sie kommen in unterschiedlichen Höhen der Troposphäre vor. In folgender Tabelle sind die Wolkengattungen und sonstige Wolkenbilder/Erscheinungen aufgelistet:

Hauptwolkenuntergrenze

Die Hauptwolkenuntergrenze (engl.: ceiling) bezeichnet in der Luftfahrt die Höhe (über Grund oder Wasser) der Untergrenze der niedrigsten Wolkenschicht, die mehr als die Hälfte des Himmels bedeckt (Bedeckungsgrad über 4/8) und sich unter 20.000 ft AGL (6.000 m über Grund) befindet. Die Höhenangabe erfolgt international einheitlich in ft AGL (Fuß über Grund). In der allgemeinen Meteorologie wird statt Hauptwolkenuntergrenze der etwas anders definierte Begriff der Wolkenbasis benutzt, der wieder die Grundlage für die Angaben im Flugwetterdienst bildet. Da der Bedeckungsgrad der Bewölkung in der Meteorologie in Achteln gemessen wird, ist die fachgerechte Bezeichnung für mehr als die Hälfte eigentlich mehr als 4/8. Deshalb erfordert eine Hauptwolkenuntergrenze eine Bewölkung von mindestens 5/8.

Die Hauptwolkenuntergrenze ist speziell für den Sichtflugverkehr wichtig. Die Grenze von 6.000 m schließt Cirren für die Festlegung der Hauptwolkenuntergrenze aus, da sie für den Flugverkehr nicht von Belang sind. Der Bedeckungsgrad der tiefsten Wolkenschicht von mehr als 4/8 wird in Kurzform als standardisierte Meldung im METAR-Bericht für die jeweiligen Flugplätze und in der Flugplatzvorhersage (TAF) angegeben und bei unvorhergesehener Änderung berichtigt.