Wetter

Regen

von Holger Westermann

Flüssiger Niederschlag, mal schauerartig verstärkt und gewittrig, mal länger anhaltend als Landregen, der anstehende Herbst gilt als besonders regenreiche Jahreszeit. Manche Regionen Mitteleuropas hoffen darauf, denn vielerorts sind durch den niederschlagsarmen Frühjahr und Sommer die Grundwasserreserven deutlich gesunken. Der Regen der letzten Tage konnte das Defizit noch nicht gänzlich ausgleichen.

Voraussetzung für Regen ist die Kondensation des Wasserdampfs in der Atmosphäre. Es bilden sich kleine Wassertröpfchen. Entsteht ein Tröpfchen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich in unmittelbarer Nachbarschaft ein zweites bildet. So bilden sich die Wassertröpfchen nicht gleichmäßig verteilt in der Atmosphäre, sondern in Zusammenballungen - man nennt sie „Wolken“.

Bei der Kondensation wird Wasserdampf (Gas) zu Wasser (Flüssigkeit), der umgekehrte Prozess, der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand ist das Verdampfen. Ob etwas verdampft oder kondensiert, wird durch die Temperatur sowohl der Flüssigkeit als auch der Luft bestimmt. So verdampft Wasser, wenn dessen Temperatur ca. 100°C erreicht (bei einem Luftdruck von 1,013 bar = 1.013 hPa). Das gilt jedoch nur in einem unendlich großen Gasraum, der die Wassermoleküle aufnehmen kann. Zwar ist die Atmosphäre der Erde ein sehr großer Gasraum, kann aber nicht unendlich viel Wassserdampf aufnehmen. Zum einen ist der Raum letztendlich doch endlich, zum anderen ist die Atmosphäre (in ihrem unteren Teil, der Troposphäre in der sich das Wetter abspielt) schon ein Gutteil mit Wasserdampf gesättigt.

Wieviel Wasserdampf die Luft speichern kann hängt von ihrer Temperatur ab. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf - also gasförmiges Wasser - kann sie aufnehmen. Sinkt die Temperatur der Luft jedoch, kann sie nicht mehr so viel Feuchtigkeit speichern, der Wasserdampf kondensiert zu Wassertröpfchen.

Besonders anfällig für Wolkenbildung ist deshalb eine markante Temperaturabsenkung innerhalb einer Luftmasse, die viel Wasserdampf enthält (hohe relative Luftfeuchte). Die rasanteste Methode zur Abkühlung der Luft ist Hebung (Aufsteigen) innerhalb der Atmosphäre. Hier ist es oben deutlich kühler als in bodennahen Luftschichten. Denn mit der Höhe nimmt auch der Luftdruck ab, die Luft dehnt sich aus und kühlt dabei um rund 1°C pro 100m ab (trockenadiabatischer Temperaturgradient, dry adiabatic lapse rate, DALR). Durch die Kondensation des Wasserdampfs wird dabei Wärme frei, die der Temperaturabsenkung entgegen wirkt. So ist es in den höheren Luftschichten doch nicht gar so kalt, die Absenkung beträgt durchschnittlich 0,65°C pro 100m (feuchtadiabatischer Temperaturgradienten, saturated adiabatic lapse rate, SALR)

Für die Hebung der Luft in kühlere Atmosphäreschichten gibt es mehrere Ursachen:
Überströmt Luft ein Gebirge muss sie dabei aufsteigen, um das Hindernis zu überwinden (Orographische Hebung).
Erwärmt die Sonnenstrahlung den Boden wird mittelbar auch die bodennahe Luftschicht aufgeheizt. Warmluft ist leichter (größerer Abstand der Luftmoleküle voneinander, geringere Dichte) als die darüberliegende Kaltluft. Die schwerere, kältere Luft sinkt ab, die Warmluft steigt auf. (Konvektion).
Die vergleichsweise leichten Luftmassen der Warmfront eines Tiefausläufers (erste Front) gleiten auf die über einer Landschaft liegende Kaltluft auf und werden dabei angehoben.
Die vergleichsweise schweren Luftmassen der Kaltfront eines Tiefausläufers (zweite Front) schieben sich unter die über einer Landschaft liegende Warmluft und heben diese dabei an.

Durch Kondensation können die Wolkentropfen jedoch höchstens die Größe von Nieseltröpfchen erreichen. Die Aufwinde in der Atmosphäre halten die Niesel zuverlässig in der Schwebe, die Wolken am Himmel illustrieren das prächtig. Bis letztendlich Regen fällt, müssen die Nieseltröpfchen an Gewicht gewinnen, sie müssen wachsen. Meteorologen diskutieren derzeit zwei Theorien für die Niederschlagsbildung:

• Niederschlagsbildung durch Eiskerne (Wegener-Findeisen-Bergeron-Theorie)
• Niederschlagsbildung durch Koaleszenz (Zusammenfließen von Teilchen)

Ragt eine Wolke in hohe Höhen (an der Tropopause ca. -50°C) bilden sich aus den Nieseltröpfchen kleine Eiskerne. Zusätzlich können auch kleine, feste und unlösliche Teilchen, die von einer Wasserhaut umgeben sind, als Eiskern wirken. In der Wolke werden die kleinen Wolkentröpfchen von den Eiskernen angezogen, sodass die Eiskristalle wachsen indem sich Wassertröpfchen anlagern und festfrieren. Die angewachsenen Eiskristalle gewinnen an Gewicht und erreichen dadurch eine größere Fallgeschwindigkeit als die Wassertröpfchen. Beim Herabfallen in der Wolke stoßen sie somit mit weiteren kleineren Wolkentropfen zusammen, die sich dann mit den Eiskristallen verklumpen (Koagulation). Fallen nun die Eiskristalle durch eine vergleichsweise warme Luftschicht (> 0°C) schmelzen sie zu Regentropfen.

Da auch in reinen Wasserwolken die Tröpfchengröße leicht unterschiedlich ist und größere Wolkentropfen schneller fallen als kleine, können Tropfen zusammenstoßen und schließlich durch zusammenfließen (Koaleszenz) anwachsen.

Je kräftiger die Aufwinde in der Wolke wehen, desto größer und schwerer können die Tropfen oder Eiskristalle werden, bevor sie aus der Wolke zu Boden fallen. Sehr große Tropfen verformen sich dabei durch den Luftwiderstand so stark, dass sie schließlich zerplatzen. So wird die maximale Tropfengröße durch die Falldauer, also die Fallhöhe und Beschleunigung beim Fallen begrenzt. In Schauerniederschlägen können die Tropfen maximal 5 bis 6, bei Gewittern mit tiefhängenden Wolken und mächtigen Aufwinden auch 8mm Durchmesser erreichen. Normale Regentropfen sind zumeist 0,2 bis 3mm groß.

Quellen:

Dipl.-Met. Lars Kirchhübel: Regen - Lebenswichtiges Elixier teils mit zerstörerischer Kraft. Thema des Tages, Newsletter des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vom 24.08.2015

Erstellt am 10. September 2015
Zuletzt aktualisiert am 10. September 2015