Wie ensteht Niederschlag?

Es ist fast schon unglaublich, dass aus vielen kleinen Wassermolekülen rund um einen festen Kern ein Wolkentröpfchen wird. Aus diesen Wolken fallen aber auch Niederschläge, wie wir an jedem zweiten Tag in Mitteleuropa feststellen können. Die Ausscheidungen der Wolken, falls sie nicht vorher vertrocknen, erreichen als Schnee, Regen, Sprühregen oder als Mischung von allem den Boden.

Zwei Prozesse führen zur Niederschlagsbildung. Einmal können aus Wasserwolken (damit sind alle Wolken gemeint, in denen hauptsächlich Wassertröpfchen vorkommen, über -10 Grad) Niederschläge fallen. Dabei verdichten sich ganz viele Wolkentröpfchen so, dass sich kleine Wassertröpfchen bilden. Diese Entwicklung wird Koaleszenz genannt, wenn Tröpfchen durch Kollisionen per Zufall oder durch entgegengesetzte Ladungen zueinander finden. Um ein durchschnittliches Sprühregentröpfchen zu produzieren, müssen 20.000 Wolkentröpfchen kollidieren. Für einen Regentropfen müssen es dann schon 10-20 Millionen Zusammenstöße werden. Allerdings verdunsten die ganz kleinen Tröpfchen sehr rasch wieder. Nach 200 Metern Wegstrecke aus der Wolke verdunsten alle Tröpfchen bei einer Luftfeuchtigkeit von 90%, die kleiner als 0,05 Millimeter sind.

Daher kann aus kleinen Wasserwolken wie Stratus (Nebel, oder Hochnebelwolken) nur geringer Sprühregen entstehen. Sie sind sehr dünn und die Kollisionswahrscheinlichkeit der Tröpfchen in der Wolke ist gering. Je größer und dichter die Wolke ist, und je näher sie an den Boden heranreicht, desto wahrscheinlicher ist ein Sprühregen aus diesen Nebelwolken.

In Cumuluswolken können sich ähnliche Prozesse abspielen wie in den Nebelwolken. Allerdings besteht hier die Chance, dass schneller großtropfiger Regen fällt, da durch die Auf- und Abwinde in diesen Haufenwolken die Wolkentröpfchen größere Kollisionswahrscheinlichkeiten haben. Stimmt der Wassergehalt der Wolke und die Verweilzeit in der Wolke, so kann sehr schnell aus einem großen Cumulus ein Schauer entstehen. Besonders an den Meeresküsten oder auf dem Meer liefern diese Wolken häufiger Schauer. Da weniger Wolkenkerne auf dem Meer vorhanden sind, steht mehr Feuchtigkeit pro Wolkenkern zur Verfügung und die Tropfen werden größer. Schauer am Meer bei hohen Temperaturen sind wesentlich häufiger und stärker als auf dem Land.

Sind die Aufwinde so stark, dass die Tröpfchen über 2,5 Millimeter anwachsen, zerplatzen sie in viele kleine Regentröpfchen. Mit maximal 9 Metern pro Sekunde treffen sie auf den Erdboden.

Gäbe es keine anderen Prozesse, die zu Regen führen, als das Wachstum durch das Ankleben an Wolkentröpfchen, so würde es in hohen und mittleren Breiten kaum regnen. Es gibt aber einen wichtigen Prozess, der bei allen stärkeren Niederschlägen nördlich des 40 Breitengrades beteiligt ist. Hier wachsen nämlich die meisten Wolken in Höhen hinaus, in der nicht nur Wassertropfen vorkommen, sondern auch Eiskristalle. Gibt es in einer Wolke sowohl Eiskristalle als auch Tröpfchen, so haben die Eiskristalle einen Vorteil. Sie ziehen die Wolkentröpfchen an (niedriger Dampfdruck) und wachsen so auf Kosten der Wolkentröpfchen weiter. An den Ecken und Kanten der Eiskristalle lagern sich die Wolkentröpfchen an und werden größer. Es bilden sich nach außen wachsende Äste und Zweige. Diese Schneesternchen werden größer und schwerer und beginnen schließlich zu fallen. Sie können einen Durchmesser von 3-4 mm erreichen und fallen mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,3 und 0,9 Metern pro Sekunde zu Boden.

Aus mittelhohen und sehr hohen Wolken wie Altocumulus oder Cirrus fallen ebenfalls Eiskristalle. Manchmal kann man dies vom Boden aus als Fallstreifen unter diesen Wolken beobachten, noch besser zu sehen natürlich von einem Flugzeug aus. Diese Schneekristalle kommen aber wegen des langen Weges von 6-8 Kilometern nicht am Boden an, sie verdunsten vorher.

Nur bei sehr tiefen Temperaturen gelangen die Schneesternchen in ihrer Ursprungsform zum Boden. Meist verkleben sie bei Werten um oder knapp unter 0 Grad mit Feuchtigkeitströpfchen und formen sich neu. Dies sind dann die beliebten Schneeflocken. Diese benötigen also höhere Temperaturen von mindestens über -15 Grad, damit sich viele Eisnadeln mit der vorhandenen Feuchtigkeit zusammen lagern können. Die größten Flocken fallen sogar erst bei Werten um +2 bis +3 Grad am Boden. Dann können sie eine Größe von 4-6 cm erreichen. Besonders in Schneeschauern sind manchmal beeindruckende Flockengrößen zu bewundern. Innerhalb weniger Minuten geben sie einer Landschaft das Aussehen des tiefsten Winters.

Der beliebte Pulverschnee fällt bei sehr kalten Temperaturen. Herrscht an der Wolkenbasis eine Temperatur von unter -15 Grad, kann sich keine große Schneeflocke mehr bilden. Es sind schlichtweg zu wenige flüssige Wolkentröpfchen da, die zu einer Verkettung der Eisnadeln führen könnten. Herrscht bis zum Boden leichter Frost, fallen die Flocken unverändert und gehen auf dem Boden als Pulverschnee nieder. Meist fällt dieser Pulverschnee aus Schichtwolken mit nur einem geringen Aufwind, der nur wenige Zentimeter pro Sekunde beträgt.

Häufig kann man beobachten, dass Nassschnee auch bei Temperaturen weit über 0 Grad am Boden fällt. Dieser bleibt dann zwar meist nicht liegen, trotzdem halten die Schneeflocken bis zum Boden durch. Bei einer Null-Grad-Grenze von 300 Metern über dem Grund fällt meist Schnee, liegt sie 500 Meter über dem Grund fällt meist nur noch Schneeregen, da ein Teil der Schneeflocken beim Fallen zu Wasser taut. Bei höheren Null-Grad-Grenzen fällt dann nur noch Regen, der aus Schichtwolken meist sehr gleichmäßig herabfällt.

Am Boden liegender Schnee kann dann bei entsprechendem Wind verwehen. Von einem "Schneefegen" redet man, wenn der Schnee unter Augenhöhe des Beobachters verweht. Beim "Schneetreiben" sind die Verwehungen so stark, dass der Himmel kaum zu erkennen ist und die Sichtweite unter einem Kilometer zurückgeht. Größere Schneeverwehungen sind bei so einem Wetter die Folge.

Neben Regen und Schnee gibt es natürlich noch weitere Niederschlagsarten, die aus den Wolken fallen. Recht häufig, etwa 2 bis 3 mal im Jahr gibt es besonders im Winterhalbjahr bei nasskalten Wetterlagen Graupelschauer. Diese Graupelkörner entstehen, wenn unterkühlte Wassertropfen bei leichten Minuswerten mit Schneekristallen kollidieren. Unter diesen Bedingungen frieren die Tröpfchen nur langsam an, da durch den Gefrierprozess des Wassers Wärme frei wird. So entsteht Frostvergraupelung, da sich um das Schneekristall und den gefrorenen Tropfen durch die Gefrierwärme für kurze Zeit eine flüssige Schicht bildet, die erst später zufriert. Diese Haut ist dann als klare durchsichtige Haut zu erkennen.

Bei kälteren Temperaturen reicht die Gefrierwärme nicht mehr aus, eine flüssige Außenhaut zu bilden, so dass der Wassertropfen sofort gefriert. Dies ist daran zu erkennen, dass die Haut um ein Graupelkorn nicht mehr durchsichtig ist, sondern milchig verschwommen.

Meist fallen aus Schauerwolken aber nur Regen, bei winterlichen Temperaturen nur Graupel und Schnee-, Schneeregen oder Regenschauer. In den Cumuluswolken bilden sich zunächst Schneesterne, die irgendwann als Schauer ausfallen. Wird der Aufwind stärker und die Wolken höher und größer, können Graupelkörner entstehen. Je mehr unterkühltes Wasser eine Wolke enthält, um so eher bilden sich größere Graupelkörner . Wird der Aufwind so stark, dass die Winde in 7-8 Kilometer Höhe gelangen, dann können sich Reifgraupelkörner bilden, da in diesen Höhen -20 bis -30 Grad herrschen. Mit den Aufwinden werden die Körner an die Spitze der Wolke transportiert, wo sie dann aber irgendwannd mit den mit dem nachlassenden Aufwind in diesen Höhen zu schwer werden und herunter in tiefere Schichten fallen. Mit der nächsten Thermikblase gelangen sie dann wieder nach oben. Durch dieses Hin und Her wachsen die Graupelkörner immer weiter an, es bildet sich Hagel.

Diese schalenartig aufgebauten Eiskörner können die enorme Größe von Tennisbällen oder sogar noch größer erreichen. Die Schäden bei einem Hagelunwetter, wie in München im Jahr 1984, gehen in die Millionen.

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