Kondensation und Wolkenbildung

Luft kühlt sich beim Aufsteigen um 1 km um 9.8 °C ab, bis sie gesättigt ist. Deshalb haben Wolken flache Untergrenzen.

Ein kaltes Glas an einem heißen Tag

Nimm an einem schwülen Tag eine kalte Getränkedose aus dem Kühlschrank. Innerhalb einer Minute ist sie außen nass. Das Wasser ist nicht durch die Dose gesickert, sondern stammt aus der Luft. Luft am kalten Metall kühlt ab und kann dann weniger Dampf aufnehmen als warme Luft. Der überschüssige Dampf kondensiert zu Flüssigkeit. Das ist Kondensation, das Gegenteil der Verdunstung. Genauso entstehen Wolken.

Die NOAA erklärt dies anhand zweier Temperaturen: Lufttemperatur und Taupunkt. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft gesättigt ist. Kühlt sie unter ihren Taupunkt ab, beginnt Dampf zu kondensieren. Sind Lufttemperatur und Taupunkt in Bodennähe gleich, entsteht oft Nebel.

Aufsteigende Luft kühlt sich selbst ab

Meist erreicht Luft ihren Taupunkt, indem sie angehoben wird. Mit der Höhe nimmt der Luftdruck ab. Eine aufsteigende Luftblase, ein Luftpaket, dehnt sich deshalb aus. Dafür verbraucht sie eigene Energie und kühlt ab, obwohl keine Wärme abgegeben wurde. Das heißt adiabatische Abkühlung. Bei trockener Luft beträgt die Abkühlung 9.8 °C pro Kilometer Aufstieg. Dies ist der trockenadiabatische Temperaturgradient.

Zum Beispiel hat die Luft am Boden 30 °C und einen Taupunkt von 18 °C. Beim Aufsteigen sinkt die Temperatur um etwa 9.8 °C pro km und der Taupunkt um etwa 1.8 °C pro km. Die Lücke von 12 °C schließt sich mit 8 °C pro km, sodass das Hebungskondensationsniveau etwa 12 ÷ 8 = 1.5 km über dem Ausgangspunkt liegt. Dort entstehen die ersten Tröpfchen. Da die Luft in der Umgebung ungefähr dieselbe Temperatur und Feuchtigkeit hat, erreicht sie in etwa derselben Höhe die Sättigung. Diese gemeinsame Höhe bildet die flache Untergrenze unter einer Reihe von Cumuluswolken an einem Sommernachmittag.

Im Zentrum jedes Tröpfchens sitzt ein Partikel

Wolkentröpfchen entstehen meist, wenn Wasserdampf an Aerosolteilchen kondensiert, den Wolkenkondensationskernen. Meersalz, Staub, Rauch und Vulkanasche können solche Teilchen liefern. Ihre Aktivierung hängt von Teilchengröße, Zusammensetzung und der Übersättigung der Luft ab, nicht von einem allgemeinen Mindestradius. Ein wachsendes Tröpfchen wird viel größer als sein Kern und besteht weiterhin fast vollständig aus reinem Wasser.

Kondensation gibt auch die bei der Verdunstung aufgenommene Energie zurück. Wenn Dampf flüssig wird, setzt er Wärme in der umgebenden Luft frei. Dadurch erhält die wolkenhaltige Luft mehr Auftrieb. Sie steigt weiter, mehr Dampf kondensiert und noch mehr Wärme wird frei. Laut NOAA trägt diese Freisetzung zur Entstehung von Hurrikanen bei. Eine Wolke ist nie fertig: An ihren Rändern verdunsten ständig Tröpfchen, während im Inneren neue entstehen. Deshalb verändern Wolken vor deinen Augen ihre Form.