Kitabı oku: «Meteorologie», sayfa 13

2.3.3Wolken

Schon in den alten Hochkulturen weit vor der Zeitenwende hat man die Wolken als Kennzeichen oder Vorboten des zu erwartenden Wetters beschrieben. So wurden sie in Mesopotamien bereits im 3. vorchristlichen Jahrtausend nach Formen und Farben unterschieden, um aus dem Himmelsbild Wettervorhersagen ableiten zu können. Insbesondere galt das für solche, die Regen und Gewitter ankündigen.

Eine Wolke ist eine Ansammlung von Wassertröpfchen und/oder Eiskristallen verschiedener Größe. Der Radius der flüssigen Tröpfchen bewegt sich im Durchschnitt von 2 µm bis 10 µm. Doch können in bestimmten Wolken auch viel größere Tropfen vorkommen: bis zu 200 µm (in Cumulonimbus); Regentropfen haben Radien bis zu 2 mm. Noch viel größer können Hagelkörner werden. In extremen Fällen kann Hühnereigröße und noch mehr erreicht werden.

Wolken haben eine ausgeprägte Dynamik: Während sie sich auf der einen Seite auflösen, entstehen sie auf der anderen Seite ständig neu. Eine Wolke ist also kein Gegenstand, sondern ein Zustand. Darüber muss man sich im Klaren sein, auch wenn man glaubt, eine hoch aufgetürmte Haufenwolke buchstäblich in die Hand nehmen zu können, oder wenn eine sommerliche Schönwetterwolke den Eindruck erweckt, man könne sich wie in ein Federbett hineinlegen. Was sich in ihnen alles abspielt, empfindet man am ehesten, wenn man sich ins Gras legt und ihr Entstehen und Vergehen betrachtet.

Wolken vermitteln nicht nur eine vielseitige Ästhetik, sondern sind auch Ausdruck und Folgeerscheinung einer Vielzahl atmosphärischer Prozesse. Sie sind die offensichtlichen Zeichen der Wettervorgänge. Aus ihrer Form kann man den Schichtungszustand der Atmosphäre erkennen, aus ihrer Entwicklung lässt sich sogar ersehen, wie labil die Schichtung ist. Die Wolken geben mit ihrem Zug Hinweise auf die Windverhältnisse. Durch richtiges Deuten des Wolkenbildes kann man den amtlichen Wetterbericht auf die lokalen Verhältnisse hin modifizieren. Als es noch keine wissenschaftlich fundierte Wettvorhersage gab, waren die Wolken zusammen mit anderen Vorgängen in der Natur das einzige, was Kunde vom kommenden Wetter zu geben vermochte.

Wolkenklassifikation und der internationale Wolkenatlas

Die heute gebräuchliche internationale Wolkenklassifikation geht im Wesentlichen auf die 1803 von L. Howard vorgelegte Einteilung zurück. Etwa zur gleichen Zeit hatte J. B. de Lamarck eine ähnliche – fachlich jedoch noch bessere – Systematik veröffentlicht. Durchgesetzt hat sich schließlich das Schema von Howard. Der Grund: Er hatte lateinische Wolkennamen vergeben. Eine solche Einteilung schlug in der wissenschaftlichen Welt des 19. Jahrhunderts ein, denn von der Botanik, der Zoologie, der Medizin und der Chemie her war man lateinische Bezeichnungen gewöhnt und wollte diesen Fachgebieten nicht nachstehen. Dazu kam, dass J. W. von Goethe vom Howardschen Schema sehr angetan war und deshalb für eine rasche Verbreitung sorgte.

Die heute verwendete Wolkenklassifikation ist im „International Cloud Atlas“ niedergelegt, der von der „World Meteorological Organization“ (WMO), einer Unterorganisation der UNO, immer wieder überarbeitet und neu herausgegeben wird. Das Werk dient als weltweit verwendetes Handbuch für die Wolkenbeobachtung und Verschlüsselung der Wolkenmeldungen. Die letzte Auflage stammt aus dem Jahr 1987. Von ihr hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) im Jahr 1990 eine deutschsprachige Lizenzausgabe herausgebracht. An ihm orientieren sich auch die folgenden Beschreibungen.

Tabelle 2.7 enthält eine etwas umgearbeitete und verkürzte Form der heute gültigen Internationalen Wolkenklassifikation nach dem WMO-Schema. Sie gliedert sich – in Anlehnung an die Linnéschen Systematiken – in Familien, Gattungen, Arten, Unterarten und Sonderformen. 88

Tab. 2.7 Internationale Wolkenklassifikation

Wolkenfamilien

Das erste Gliederungsmerkmal ist die Familie. Sie informiert über die Höhe, in der sich eine Wolke aufhält. Als Kriterium für die Höhe wird dabei die Wolkenuntergrenze benutzt. Die Höhenstufen sind so gewählt, dass das oberste Stockwerk praktisch nur reine Eiswolken enthält. Im mittleren finden sich sogenannte Mischwolken, die neben Eiskristallen auch flüssige Tröpfchen enthalten. In den Wolken des unteren Stockwerks schließlich gibt es nur flüssige Tröpfchen. Diese Definition der Höhenstufen bringt es mit sich, dass die einzelnen Wolkenstockwerke im Sommer höher liegen als im Winter (daher die Überschneidung 89 bei der Grenzangabe für die Bereiche der hohen und der mittelhohen Wolken. In den unterschiedlich warmen Klimazonen der Erde gelten aus physikalischen Gründen etwas differierende Höhengrenzen. In Tabelle 2.8 findet man die international festgelegten Höhenbereiche zusammengestellt.

Hohe Wolken haben in Mitteleuropa Untergrenzen von 5 bis 13 km. Die Namen der zu dieser Familie gehörenden Wolken beginnen mit der Silbe „Cirr“ (lat. cirrus = Haarlocke), z. B. Cirrus, Cirrocumulus, Cirrostratus.

Die Untergrenzen der Mittelhohen Wolken liegen in unseren Breiten zwischen 2 und 7 km. Die Namen der zu dieser Familie gehörenden Wolken beginnen mit der Silbe „Alto“ (lat. altus = hoch), z. B. Altocumulus, Altostratus.

Tiefe Wolken reichen in den mittleren Breiten vom Erboden bis in 2 km Höhe. Die Namen der zu dieser Familie gehörenden Wolken haben keine besondere Vorsilbe: Cumulus, Stratocumulus, Stratus.

Stockwerkübergreifende Wolken führt die Wolkenklassifikation in der vierten Familie. Zu ihr zählen die Wolken mit einer so mächtigen Vertikalentwicklung, dass sie die Stockwerksgrenzen sprengen. Sie können auf dem Erdboden aufliegen (Wolkenuntergrenze 0 km) und bis an die Tropopause reichen, die in der gemäßigten Klimazone unter bestimmten Voraussetzungen in Höhen bis zu 13 km liegen kann. In ihren Namen findet sich stets die Silbe „nimb“ (lat. nimbus = Regenwolke), z. B. Cumulonimbus, Nimbostratus.

Wolkengattungen

Das zweite Gliederungsmerkmal ist die Gattung. Sie legt die prinzipielle Wolkenform innerhalb der einzelnen Familien fest. Dazu werden drei grundlegende Formen unterschieden: haufenförmig, schichtförmig und schleierförmig.

Die Namen der haufenförmigen Wolken enden stets auf „cumulus“ (lat. Ansammlung, Haufen), z. B. Cirrocumulus, Altocumulus, Stratocumulus, Cumulus. Nicht ins Schema passt allerdings die haufenförmige, stockwerkübergreifende Wolke (4. Familie): Sie müsste eigentlich „Nimbocumulus“ heißen, tatsächlich ist ihr Name aber „Cumulonimbus“.

Die Namen der schichtförmigen Wolken enden stets auf „stratus“ (lat. zweites Partizip von „sternere“ = ausdehnen, ausbreiten, bedecken), z. B. Cirrostratus, Altostratus, Stratus, Nimbostratus.

Schleierförmige Wolken gibt es nur im Bereich der hohen Wolken. Aus diesem Grund benötigt man keine kennzeichnende Nachsilbe. Die betreffende Wolke heißt einfach nur Cirrus.

Tab. 2.8 Wolkenstockwerke nach der internationalen Klassifikation
Stockwerk	Polargebiete	Gemäßigte Zonen	Tropische Zone
oberes	3–8 km	5–13 km	6–18 km
mittleres	2–4 km	2–7 km	2–8 km
unteres	Erdboden bis 2 km	Erdboden bis 2 km	Erdboden bis 2 km

Arten, Unterarten, Sonderformen
und Begleitwolken

Ein einziger Blick zum Himmel genügt, um sich klarzumachen, dass mit den 10 Wolkengattungen die Formenvielfalt der Wolken auch nicht annähernd zu erfassen ist. Dazu sind noch viel weitergehende Differenzierungen erforderlich. Man erreicht sie durch Einführen von Arten und Unterarten.

Die insgesamt 14 Arten ermöglichen eine nähere Beschreibung der Höhe und Ausdehnung (Volumen), der Oberflächenbeschaffenheit, der Gestalt und des inneren Aufbaues (Struktur) der Wolke.

So gibt es z. B. die Arten: „humilis“ = niedrig, „calvus“ = glatt, „castellanus“ = zinnenförmig oder „fibratus“ = faserig. Mithilfe der 9 Unterarten wird die Anordnung der verschiedenen Wolkenteile sowie die Durchlässigkeit der Wolke für das Licht von Sonne und Mond beschrieben. Als Beispiele seien aufgeführt: „undulatus“ = wellenförmig oder „translucidus“ = durchscheinend. Eine ausführliche Auflistung findet man in Tabelle 2.7.

Viele Wolken besitzen arttypische Sonderformen oder sie treten zusammen mit spezifischen Begleitwolken auf. Zu ihnen gehören z. B. die Fallstreifen, die vom fallenden Niederschlag hervorgerufen werden. 90

Beschreibung der Wolkengattungen

Von den hohen Wolken sind die Cirruswolken oder kurz Cirren die eindruckvollsten. Sie haben ein schleier- oder federartiges, oft auch krallenförmiges Aussehen und bestehen aus Eiskristallen. Scharfe Konturen fehlen, üblicherweise sind sie hell weiß. Zur Krallenform kommt es, wenn Eiskristalle aus einer höheren, schnellen Windströmung in eine tiefere, langsamere Strömung fallen und dabei einen langen Schweif bilden. Abbildung 2.20 zeigt eine Cirruswolke.

Abb. 2.20 Cirrus-Wolke.

Der Cirrocumulus kann oft nur schwer vom Altocumulus unterschieden werden. Er besteht aus Flocken, Bällen, Bauschen oder parallelen Wolkenbändern. Cirrocumuluswolken treten oft gemeinsam mit Cirren auf. Meist bestehen sie aus Eiskristallen, können aber auch unterkühlte Wassertröpfchen enthalten. Landläufig werden sie als zarte Schäfchenwolken bezeichnet.

Der Cirrostratus ist eine dünne Schleierwolke, durch die die Sonne praktisch ungehindert durchscheinen kann. Dabei entstehen oft eindrucks­volle Haloerscheinungen: Ringe, Lichtsäulen, Nebensonnen (→ Kap. 3.5.2, S. 179), die auf die Existenz von Eiskristallen in der Cirrostratuswolke schließen lassen. Der Wolkenschleier kann so dünn sein, dass er sich nur durch das Auftreten einer oder mehrerer Haloerscheinungen bemerkbar macht.

Oft bedeckt die Cirrostratusschicht den ganzen Himmel. Sie kann sich aber auch durch eine scharfe Grenze vom wolkenfreien Himmel absetzen. Häufig geht sie auch ganz langsam in einen tiefer liegenden Altostratus über, besonders bei einem sogenannten Aufzug in Zusammenhang mit dem Herannahen einer Warmfront (→ Kap. 6.1.2, S. 236).

Die mittelhohen Wolken der Familie Altostratus bilden häufig eine durchgehende, gleichmäßige strukturlose Schicht, die meist große Teile des Himmels bedeckt. Oft entwickeln sie sich aus Cirrostratus und wachsen in ihrer Mächtigkeit langsam, aber kontinuierlich, wobei sie in ein erst leichtes, dann immer dichter werdendes Grau übergehen.

Anfangs scheint die Sonne noch mit einem unscharfen zerzausten Rand durch die Schicht hindurch (→ Abb. 2.21), mit zunehmender Dicke verschwindet sie jedoch dahinter. Altostratus enthält Wassertropfen und Eiskristalle nebeneinander. Geht eine Cirrostratusschicht in Altostratus über, so darf man mit baldigem Regen rechnen.

Abb. 2.21 Altostratus-Wolke.

Die Haufenform der mittelhohen Wolken heißt Altocumulus. Diese Familie tritt uns in Form von Ballen, Bauschen, Schollen, Bänken oder Wogen entgegen. Manchmal bilden sich mehr oder weniger strukturierte Schichten oder parallele Bänder. Die regelmäßig angeordneten gröberen Schäfchenwolken gehören dazu. Gelegentlich fällt es schwer, Altocumuluswolken gegen Stratocumulus abzugrenzen. Hier hilft nur eine Schätzung der Höhe der Wolkenuntergrenze.

Bei Altocumulus gibt es zwei bedeutsame Sonderformen. Die eine ist die einmalig typische Föhnwolke mit ihren langen, fisch-, zigarren- oder zeppelinförmigen Gebilden. Bei genauer Betrachtung erkennt man, dass sie eine ebene, manchmal auch leicht gewölbte Untergrenze haben, wodurch ein linsenförmiger Querschnitt zustande kommt, der der Wolke zu ihrem Namen Altocumulus lenticularis (lat. linsenförmig) verhalf. Diese Wolken können sehr imposant wirken, wie Abbildung 2.22 zeigt.

Abb. 2.22 Altocumulus-lenticularis-Wolke.

Gelegentlich kann man aus einer Altocumulus-Bank kleine Auswüchse emporschießen sehen. Häufig sind sie regelmäßig nebeneinander angeordnet und geben der Wolke das Gepräge einer zinnenbewehrten Burg. Durch diese Gedankenassoziation kam diese Sonderform von Alto 91–92 cumulus auch zu ihrem Namen castellanus. Die Castellani entwickeln sich zu selbstständigen Ballen, die sich von der Wolkenbank lösen und allmählich nach oben verschwinden. Das bedeutsame dieser Wolkenform ist, dass sie ein meist verlässliches Gewittervorzeichen darstellen. Sieht man am Morgen Altocumulus castellanus, so darf man noch am gleichen Tag mit großer Wahrscheinlichkeit Gewitter erwarten.

Stratus ist die tiefe Schichtwolke. Landläufig wird sie als Hochnebel bezeichnet. Sie hat meist keine scharfe Untergrenze und mutet grau und trist an. Oft hängen Wolkenfetzen aus ihr heraus. Aus einer Stratuswolke kann gelegentlich Regen fallen, jedoch nur feiner Nieselregen. Wenn es aus einer Stratuswolke schneit, dann immer nur in Form kleiner Schneesterne, niemals fallen aus ihr große, reich strukturierte Schneeflocken.

Die Haufenwolken des unteren Niveaus heißen Stratocumulus und Cumulus. Die Stratocumuluswolke schaut aus wie Wattebauschen: keine scharfe Grenze, kein deutliches Kondensationsniveau, keine feste Form, wie Abbildung 2.23 zeigt. Stratocumulus ist im Allgemeinen nur wenig mächtig. Sie ist die typische Schönwetterwolke.

Abb. 2.23 Stratocumulus-Wolke.

Cumulus (→ Abb. 2.24) unterscheidet sich von ihr durch eine glatte, scharfe Untergrenze. Sie tritt gelegentlich als graue Fläche aus der sonst weißen Wolke hervor. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zwischen Stratocumulus und Cumulus ist die Oberseite der Wolke. Während die erste keine scharfe Begrenzung besitzt, bildet sich bei der zweiten die typische, an Blumenkohl erinnernde Form aus.

Abb. 2.24 Cumulus-Wolke.

Je nach Höhenentwicklung unterscheidet man bei der Cumuluswolke die flache Cumulus humilis, die mittelmäßig entwickelte Cumulus mediocris und die mächtige Cumulus congestus. Die beiden letztgenannten Cumulusarten sind die typischen Wolken einer labil geschichteten Atmosphäre. Sie deuten immer auf heftige Vertikalbewegungen hin. Blickt man zu einem cumulusübersäten Himmel empor, so hat man den Eindruck, unmittelbar über dem Beobachtungsort seien die Wolken weniger dicht gedrängt als am Horizont. Der Grund dafür ist, dass man bei den zenitnahen Wolken nur die untere Fläche sehen kann, bei denen in der Nähe des Horizonts jedoch auch die hohen Flanken, sodass man dort scheinbar mehr Wolkenoberfläche zu sehen glaubt.

Cumulus congestus leitet über zu den sich über mehrere Atmosphärenetagen erstreckenden Wolken. Die Haufenform heißt Cumulonimbus, im landläufigen Sprachgebrauch Schauer- oder Gewitterwolke. Ihr typisches Merkmal ist ein schirmartiges Wolkengebilde an ihrem oberen Rand, das bezeichnenderweise Gewitterschirm genannt wird. Er ist meist vereist und bildet deshalb die für Eiswolken typische Faserstruktur aus, die uns bei den Cirren schon begegnet ist. Er mutet von der Seite gesehen oft wie ein Amboss an und wird deshalb auch gerne als solcher bezeichnet. Wie Abbildung 2.25 zeigt, steht seine Struktur in scharfem Kontrast zu dem blumenkohlähnlichen Gepräge der tieferen wasserhaltigen Wolkenteile.

Abb. 2.25 Cumulonimbus-Wolke.

Ein Cumulonimbus, von der Seite betrachtet, gehört zu den imposantesten Wolkenerscheinungen, die der Himmel bieten kann. Befindet man sich aber in unmittelbarer Nähe oder gar unter einem Cumulonimbus, so sieht man nur eine dunkelgraue bis schwarze Masse, die nichts von der Schönheit und Leuchtkraft der darüber liegenden Wolke ahnen lässt. Gelegentlich schimmert es aus der Schwärze auch gelblich hervor. Dann darf man mit einiger Sicherheit damit rechnen, dass es dort hagelt. 93–94

Im Zusammenhang mit den Schauerwolken gibt es noch drei erwähnenswerte Sonderformen: Böenwalze, mammatus oder Regensack und Virga oder Fallstreifen.

Die Böenwalze ist eine lang gestreckte, finster anmutende Wolkenwalze, die sich vor anrückender Kaltluft (→ Abb. 2.36, S. 110) ausbildet und mit heftigen Sturmböen deren Ankunft verkündet. Nach einem Schauer kann man gelegentlich sackartig anmutende, fast regelmäßig angeordnete Wolkengebilde beobachten. Sie heißen mammatus und weisen darauf hin, dass aus der betreffenden Wolke Niederschlag gefallen ist.

Stockwerkübergreifende, schichtförmige Wolken heißen Nimbostratus. Sie präsentieren sich als graue, häufig dunkle Wolkenschicht, aus der üblicherweise anhaltend und ergiebig Regen oder Schnee fällt. Die Schicht ist so dicht, dass die Sonne unsichtbar wird. Unterhalb der Schicht treten häufig niedrige, zerfetzte Wolken auf, die mit ihr zusammenwachsen können.

Gelegentlich verdunstet der fallende Regen, ehe er den Boden erreicht. Dabei sieht man mehr oder weniger schräge, parallel nebeneinander angeordnete Streifen, die scheinbar aus den Wolken heraushängen, jedoch nicht bis zum Boden reichen. Sie heißen Virga oder Fallstreifen.

Neben den natürlichen gibt es noch eine Vielzahl von künstlich erzeugten Wolken. In erster Linie sind das die „Dampfwolken“ aus Industrieanlagen und die Wolkenphänomene, die sich an Flugzeugen bilden, z. B. Kondensstreifen. Diese entstehen dadurch, dass der in den Abgasen von Flugzeugen enthaltene Wasserdampf kondensiert. Zu einer Kondensation wird es umso eher kommen, je mehr Wasserdampf bereits in der Luft vorhanden ist. In feuchter Luft kann man also öfter Kondensstreifen beobachten als in trockener. Da heranrückende feuchte Luft häufig eine Wetterverschlechterung mit sich bringt, darf man gehäuft auftretende Kondensstreifen als diesbezügliche Wetterboten deuten. Kondensstreifen diffundieren im Lauf der Zeit auseinander, werden dabei dünner und verlieren an Helligkeit. Aus der Versetzung der Kondensstreifen kann man auf die Windverhältnisse in ihrer Höhe schließen.

Kondensstreifen geraten zunehmend in Verdacht, am Klimawandel beteiligt zu sein. Wegen der in Reiseflughöhe (10–13 km) herrschenden Temperaturen von –40 bis –70 °C bestehen Kondensstreifen wie auch die Cirren aus Eiskristallen. Diese reflektieren einen Teil der von der Sonne kommenden (sogenannten kurzwelligen Strahlung) in den Weltraum zurück und wirken sich damit kühlend auf das Weltklima aus. Andererseits verursachen die Eiskristalle der Kondensstreifen eine Verstärkung des atmosphärischen Glashauseffektes (→ Kap. 3.3.3, S. 173), wirken also erwärmend. Nach neueren Erkenntnissen überwiegt der Erwärmungseffekt den Abkühlungseffekt zurzeit nur geringfügig. Angesichts der vorhergesagten gigantischen Zunahme des Flugverkehrs in den kommenden Jahrzehnten lassen Modellrechnungen jedoch einen gefährlich steigenden Beitrag der Kondensstreifen zur Erderwärmung befürchten.

Gelegentlich kann man beobachten, dass hinter einem Flugzeug nicht Wolken entstehen, sondern dass sich – im Gegenteil – vorhandene Wolken auflösen. Voraussetzung für diesen Effekt ist, dass sich in der Höhe eine von trockener Luft erfüllte Inversion (→ S. 195) ausgebildet hat, an deren Untergrenze eine dünne Wolkenschicht schwebt. Durchfliegt ein Flugzeug diese Schicht, so wird die Wolkenluft von der Turbulenz der Triebwerke mit der Luft darüber und der darunter vermischt, die ja beide wärmer sind. Die Folge: Die Temperatur der Wolkenluft steigt, die Feuchtesättigung geht verloren und die Wolken lösen sich in einem dünnen Streifen längs der Flugbahn auf.

Schließlich sei noch Form und Habitus der sich beim Absinken auflösenden Wolken vorgestellt. Bei ihr beginnen zunächst die äußeren, ohnehin schon dünnsten Partien faserig und durchsichtig zu werden, um schließlich ganz zu verschwinden. Der Prozess greift allmählich auf die ganze Wolke über, wobei sich oft Teile abspalten, die Form von einzelnen Wolkenfetzen annehmen, immer kleiner und zerrupfter werden und sich schließlich in nichts aufzulösen scheinen.