Der Wolken-Blog

Wer kennt nicht den berühmten Cumulus humilis, der sich wie kleine Haufen über den Schönwetterhimmel verteilt und einen Teil des berühmten Kaiserwetters darstellt. Der Cumulus humilis ist die wohl berühmteste Schönwetterwolke, die, so lange sie nicht anwächst, keinen Regen bringt.

Cumulus humilis

Der Cumulus humilis kann durch kräftige Thermik zu größeren Cumulus, wie mediocris oder congestus, anwachsen und sich sogar zum Cumulonimbus entwickeln.

Cumulus mediocris

Cumulus congestus

Cumulonimbus

Der Cumulus ist eine sog. Konvektionswolke. Unter Konvektion versteht man das thermische Aufgleiten von Luftpaketen z.B. durch Erwärmung der Erdoberfläche und der darüber liegenden Luftpakete. Bei entsprechend labiler Schichtung der Atmosphäre (die Temperatur der Umgebungsluft nimmt mit der Höhe schneller ab als die Temperatur des Luftpaketes) steigt das Luftpaket in die Höhe. Solange das Luftpaket noch nicht auf den Taupunkt (Temperatur bei 100% Luftfeuchtigkeit) abgekühlt ist, nimmt die Temperatur um 1 K(elvin)/100 m (entspricht 1 Grad Celsius pro 100 m Höhe) ab. Sobald der Taupunkt erreicht ist (d.h. ein relative Luftfeuchtigkeit von 100% vorliegt), kondensiert der im Luftpaket vorhandene Wasserdampf und Kondensationswärme wird frei – eine Cumulus-Wolke entsteht.  Durch die Kondensationswärme nimmt die Temperatur des Luftpakets durchschnittlich nur noch um 0,65 K/100 m ab. Abhängig von der Labilität der Umgebungsluft und der Menge des vorhandenen Wasserdampfes kann der Cumulus bis zum congestus und sogar zum Cumulonimbus anwachsen.

Ob ein Cumulus entsteht und wie hoch er anwächst kann durch die Messung des atmosphärischen Zustands ermittelt werden. Dafür wird mit Hilfe von Radiosondenaufstiegen das Höhenprofil von Luftdruck, Lufttemperatur und Taupunkt bestimmt. Diese Höhenprofile werden in ein thermodynamisches Diagrammpapier eingetragen. Zwei Arten von thermodynamischen Diagrammpapieren sind üblich: Das Stüve und das Skew T-Diagrammpapier.

Im Folgenden ein Beispiel für ein Skew T-Diagramm (zum Vergrößern bitte anklicken):

Skew T-Diagramm ©www.wetterzentrale.de

Auf der x-Achse (horizontale Achse) ist die Temperatur in Grad Celsius, auf der y-Achse (vertikale Achse) der Luftdruck in hPa (Hektopascal) angegeben (ein Maß für die Höhe). Die weiße Kurve zeigt den Temperaturverlauf, die graue Kurve den Taupunktverlauf an. Die roten Linien zeigen die Trockenadiabate an, d.h. ein trockenes Luftpaket (<100% Luftfeuchtigkeit) steigt entlang dieser Kurve mit 1 K/100m (trockenadiabatischer Temperaturgradient) Temperaturabnahme auf. Die grünen Linien zeigen die Feuchtadiabaten an, d.h. ein feuchtes Luftpaket steigt an dieser Linie mit 0,65 K/100 m (feuchtadiabatischer Temperaturgradient) auf. Die blauen Linien markieren Linien gleicher Temperatur. Die gelben Linien sind Linien gleichen Sättigungsmischungsverhältnis in g Wasserdampf pro kg trockener Luft. Das Sättigungsmischungsverhältnis beschreibt den Quotienten aus maximalem Wasserdampf und Masse der enthaltenen Luft.

Aus diesem Diagramm kann man nun das Cumuluskondensationsniveau (CCN) bestimmen, das die Höhe angibt, in der ein durch Konvektion aufsteigendes Luftpaket kondensiert und die Unterseite des Cumulus markiert. Das CCN ist dann erreicht, wenn die Temperatur des aufsteigenden Luftpakets den Taupunkt erreicht. Wir kennen den Taupunkt am Boden durch die Profilmessungen. Wir folgen also den Linien gleichen Mischungsverhältnisses vom Bodentaupunkt aus und der Schnittpunkt mit dem Temperaturprofil entspricht dem CCN.

Im CCN würde also ein Cumulus entstehen, vorausgesetzt aufsteigende Luftmassen erreichen diese Höhe überhaupt. Also ist es notwendig die Temperatur am Boden zu bestimmen, bei der es das Luftpaket schafft um bis zum CCN aufzusteigen. Diese Temperatur nennt man Auslösetemperatur und wird bestimmt indem man vom CCN den Linien der Trockenadiabate bis zum Boden folgt und dort die Temperatur abliest.

Schließlich möchte man noch wissen wie hoch der Cumulus wächst. Nach dem Erreichen des Taupunktes steigt das Luftpaket feuchtadiabatisch auf bis die Temperatur der Umgebungsluft der des Luftpakets entspricht. Man folgt also vom CCN aus den Linien der Feuchtadiabate, bis diese das Temperaturprofil schneidet. Dieser Schnittpunkt markiert die Oberseite des Cumulus.

Analog zum Skew T-Diagramm lässt sich das CCN, die Auslösetemperatur und Höhe des Cumulus auch mit dem Stüve-Diagramm bestimmen. Lediglich die Linien gleicher Temperatur sind nicht geneigt, sondern senkrecht angeordnet.

Das CCN, die Auslösetemperatur und die Höhe des Cumulus sind mit Hilfe der aktuellen Höhenprofile nur dann bestimmbar, wenn keine kälteren oder wärmeren Luftmassen herantransportiert werden und keine zusätzliche Feuchte zugeführt wird.

Weitere Informationen zu den Erscheinungsformen des Cumulus finden Sie hier.

Literatur:

Wetter und Klima (1989). Meyers Lexikonverlag

http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/geomet/meteo/winfos/radiosonden/Europa/radiosondengrafiken.pdf

http://www.skywarn.de/estofex_de/guide/1_2_2.html

http://www.wetterzentrale.de

Wolken sind nichts anderes als eine Anhäufung von Wassertröpfchen und/oder Eiskristallen in der Luft. Tatsächlich gibt es Wolken, die nur aus Wasser, nur aus Eiskristallen oder beidem, sog. Mischwolken, bestehen.

Grundlage der Wolken sind also Wasser bzw. Wasserdampf in unterschiedlichen Aggregatszuständen. Wasserdampf tritt überall in der Atmosphäre der Erde auf. Dabei ist zu beachten, dass ein Luftvolumen nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen kann. Dabei kann wärmere Luft mehr, kältere Luft weniger Wasserdampf aufnehmen. Bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius können maximal 17,3 Gramm Wasserdampf in einem m3 Luft sein, bei 0 Grad allerdings nur noch maximal 4,8 Gramm. Ist die maximale Wasserdampfmenge aufgenommen, kondensiert der Wasserdampf und Wolkentröpfchen sind erkennbar – Wolken entstehen. Man kann sich diesen Vorgang wie einen Schwamm vorstellen, der nur eine bestimmte Menge an Wasser aufnehmen kann. Ist mehr Wasser im Schwamm als er tatsächlich aufnehmen kann, dann tropft das Wasser heraus. Bitte beachten Sie, dass es nicht ausreicht die maximale Menge an Wasserdampf in einem Luftpaket zu erreichen um Regen entstehen zu lassen. Dafür sind Eiskristalle als Kondensationskerne notwendig, allerdings soll in diesem Artikel nicht näher auf das Phänomen “Regen” eingegangen werden.

Die Angabe der Feuchtigkeit in Gramm pro m3 nennt man die absolute Feuchte. Als relative Feuchte bezeichnet man das Verhältnis von tatsächlicher absoluter Feuchte und maximaler absoluter Feuchte in einem Luftpaket. Hat ein Luftpaket bei einer Temperatur von 0 Grad Celsius eine absolute Feuchte von 2,4 Gramm pro m3 , dann beträgt die relative Feuchte 50%. Bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit entstehen Wolken. Die Temperatur, bei der eine Luftfeuchtigkeit von 100% erreicht wird, nennt man Taupunkt.

Wolken entstehen auf zwei Weisen:

• Die Temperatur eines Luftpakets kühlt bis zum Taupunkt ab. Dies kann z.B. durch Aufsteigen eines Luftpaketes in höhere troposphärische Schichten geschehen, da die Temperatur des Luftpakets dabei um 1 Grad Celsius pro 100 m abnimmt. Hat also ein Luftpaket eine absolute Feuchte von 17,3 Gramm pro m3 und eine Temperatur von 28 Grad, muss die Temperatur auf 20 Grad absinken damit Wolken entstehen.

• Dem Luftpaket wird so viel Feuchtigkeit zugeführt, dass die maximale absolute Feuchte, d.h. 100% Luftfeuchtigkeit, erreicht wird.

Literatur:

Dieter Walch, Ernst Neukamp: Wolken, Wetter. GU – Gräfe und Unzer

Rolf Mangelsen (1986): Praktische Wetterkunde. Kosmos Naturführer