Wolken sind äußerst komplexe Phänomene in der Troposphäre, die als Wetterschicht der Atmosphäre bis in etwa 15 km Höhe reicht. Sie sind ein Forschungsgebiet der Meteorologie (Wetterkunde). Relativ einfach lässt sich Bildung von Haufenwolken (Cumuluswolken) erklären (112.1). Sonneneinstrahlung erwärmt den Boden und die dort aufliegende untere Luftschicht. Die höhere Temperatur lässt verstärkt Wasser verdunsten. Die warme feuchte Luft hat eine geringere Dichte als die darüberliegende – einzelne „Luftpakete“ lösen sich vom Boden und steigen durch den Auftrieb in die Höhe. Verfolgen wir den Weg eines Luftpakets: Der Luftdruck nimmt mit der Höhe um ca. 1,25 % pro 100 m ab. Wegen des geringeren Drucks dehnt sich die warme aufsteigende Luft aus und kühlt dabei ab, ist aber weiterhin wärmer als die umgebende Luft. Solange die relative Luftfeuchtigkeit unter 100 % liegt und keine Kondensation auftritt, kühlt sich Luft um ca. 1 °C pro 100 m Höhengewinn ab. Die relative Feuchtigkeit nimmt zu, bis bei 100 % der Taupunkt erreicht wird und der überschüssige Wasserdampf anfängt zu kondensieren (111.1). Bei weiterem Aufsteigen der Luft setzen sich Abkühlung und Kondensieren fort. Die dabei frei werdende Kondensationswärme erwärmt die Luft, so dass die Temperatur nur um ca. 0,6 °C pro 100 m abnimmt. Dies verstärkt den Auftrieb und ist die Ursache für den Aufwind in der Wolke. Die Kondensation setzt in einer Höhe zwischen 500 m und 1 500 m ein. Es bilden sich feinste Tröpfchen mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern. Diese kleinen Wolkentröpfchen werden durch Aufwinde in die Höhe befördert. Bei geringer Feuchtigkeit bilden sich typische Schönwetterwolken, die nur geringe Höhen erreichen und sich gegen Abend wieder auflösen. Bei sehr feuchter Luft bilden sich eindrucksvolle Wolkentürme, die als Gewitterwolken (Cumulonimbus-Wolken, (113.1)) bis in etwa 10 km Höhe reichen (112.4). Damit Regentropfen entstehen, die zur Erde fallen können, müssen die Tröpfchen wachsen. In großer Höhe herrschen Temperaturen von −40 °C (und kälter) und die Wassertröpfchen gefrieren zu kleinsten Eiskristallen. Die Eiskristalle sinken langsam Richtung Erde. Sie sammeln Wassertröpfchen ein und wachsen, sie verklumpen zu größeren „Graupelkörnern“. Sobald die Graupelkörner die Temperaturgrenze von 0 °C überschreiten, schmelzen sie und fallen als Regentropfen zur Erde. Hagelbildung setzt auf- und absteigende Luftströme voraus, in denen sich bereits relativ große Eiskristalle befinden, an die sich ständig weitere unterkühlte Wassertropfen anlagern können. Dadurch entstehen zunächst Graupel- und schließlich Hagelkörner. Als Hagel (112.3) bezeichnet man Graupel über 5 mm Durchmesser. Wolkenbildung – Beispiel Haufenwolken im Sommer 112.1 Cumulus- oder Haufenwolken entstehen durch Kondensation von Wasserdampf in Aufwinden. Bei hoher Luftfeuchtigkeit entwickeln sich daraus die Gewitterwolken (Cumulonimbus). 112.2 Föhn entsteht durch das Aufsteigen feuchter Luftmassen, die auf der Wetterseite abregnen und als warmer trockener Fallwind ins Tal gelangen. Diese Erklärung klingt plausibel, doch trifft sie nur zum Teil zu. Viele Föhnereignisse verlaufen ohne Niederschlag. Ein Hauptgrund der hohen Windgeschwindigkeiten bei Föhn scheint die Düsenwirkung von Tälern und Pässen in Gebirgen zu sein. 112.3 Hagelkörner können eine beträchtliche Größe erreichen und erheblichen Schaden anrichten. Ihre Grenzgeschwindigkeit haben wir auf S. 53 berechnet. Tief Mittel Hoch Cirrocumulus Cumulonimbus Altocumulus Cirrostratus Cirrus Altostratus Stratocumulus Cumulus Stratus Nimbostratus 2000 m 7000 m 12000 m 112.4 Höhenschema verschiedener Wolkentypen 112 Thermodynamik 2 Phasenübergänge Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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