An der Quelle des Regens

Wie Regen in einem der wichtigsten Wolkentypen entstehen könnte, wird jetzt klarer

• Inhomogene Wolken: Tröpfchen sind in Wolken nicht gleichmäßig verteilt, sondern bilden Cluster von etwa einem Meter Durchmesser.
• Regenmacher: In Bereichen, in denen sich verstärkt Tröpfchencluster bilden, könnte in flachen Cumuluswolken Regen entstehen.
• Niederschlagsprognosen: Ein genaueres Verständnis, wie Regen entsteht, könnte auch dessen Vorhersage verbessern.

Der Klimawandel macht sich auch beim Niederschlag deutlich bemerkbar. Oft regnet es zu wenig, dann regnet es gleich zu viel. Doch obwohl Regen so existenziell ist, hat die Meteorologie bislang nicht komplett verstanden, wie Regen entsteht. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation hat in flachen Cumuluswolken nun bisher unbekannte Strukturen entdeckt. Mithilfe Messgeräten, die an einem Helikite-Ballon montiert sind, fanden die Forschenden Bereiche von weniger als einem Meter, in denen sich Wolkentröpfchen clustern. Diese Ansammlungen bieten ideale Bedingungen für die Kollision von Tröpfchen, was wiederum mit hoher Wahrscheinlichkeit Niederschlag auslöst.

Dem Regen auf der Spur

Flache warme Cumuluswolken machen weltweit einen wesentlichen Anteil aller Wolken über Ozeanen und Land aus. In ihnen entsteht ein Großteil des Niederschlags auf der Erde – insbesondere in den Tropen; sie spielen zudem eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Energiehaushalts der Erde, weil sie Sonnenlicht reflektieren und somit kühlend wirken. Ihre Lebensdauer und ihre Fähigkeit, Sonnenlicht zurück ins All zu reflektieren, hängen entscheidend davon ab, wie effizient sich Wolkentröpfchen zu Regentropfen entwickeln – dies ist eine der größten Unsicherheiten bei Klimaprognosen. 

Warme Cumuluswolken enthalten keine Eiskristalle, die als Keime für Niederschlag dienen könnten. Stattdessen bestehen insbesondere flache Cumuluswolken ausschließlich aus winzigen flüssigen Wassertropfen. Obwohl in ihnen innerhalb von Minuten Regen entstehen kann, ist bislang nicht geklärt, wie sich größere Regentropfen bilden. Das erschwert auch die Vorhersage von Niederschlägen. Bevor es regnen kann, müssen kleine Tröpfchen erst miteinander kollidieren, um einen größeren Tropfen zu bilden, der schließlich zu Boden fällt. Die Forschenden untersuchten in ihrer im Fachjournal PNAS erschienen Studie, wie diese anfänglichen Kollisionen zustande kommen können. 

Cluster von Wolkentröpfchen als Regenquelle

„Wir haben die Struktur einer flachen, warmen Wolke mit hoher räumlicher Auflösung untersucht“, sagt Mohsen Bagheri, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und einer der Leiter der Studie. Anhand der Daten rekonstruierten die Forschenden die innere Struktur eines 55 Meter langen Abschnitts einer flachen Cumulus-Wolke. Demnach waren die Tröpfchen darin nicht gleichmäßig verteilt, sondern bildeten stark lokalisierte Hotspots mit einem Durchmesser von nur etwa einem Meter oder sogar weniger. In diesen Bereichen liegen die Tröpfchen viel näher beieinander als an anderen Stellen in der Wolke, was die Bildung größerer Tropfen erleichtert.

„Da die Tröpfchen dort clustern, werden Kollisionen viel wahrscheinlicher. Diese lokal begrenzten Hotspots könnten daher die Stellen sein, an denen es in flachen Cumuluswolken zu regnen beginnt“, sagt Birte Thiede, ebenfalls Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Diese Beobachtungen stellen die seit langem bestehende Annahme in Frage, dass Tröpfchen nur schwach, aber gleichmäßig verteilt clustern. Stattdessen sprechen die Ergebnisse dafür, dass Wolken eine innere Struktur besitzen, die bislang unentdeckt war. „Die Aufdeckung der verborgenen Struktur warmer Wolken wird zu besseren Beschreibungen der Regenbildung und genaueren Wettervorhersagen führen“, fasst Mohsen Bagheri zusammen.

Der CloudKite: Ein Labor in der Luft

Für die Messungen verwendeten die Forschenden einen mit diversen Messinstrumenten ausgerüsteten Helikite-Ballon, den ein Team um Mohsen Bagheri und Eberhard Bodenschatz, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, entwickelt hat. Dieser Max-Planck-Cloudkite ermöglicht es, die Wolkenstruktur ohne Störungen, wie sie etwa Drohnen bewirken, und mit beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. „Es ist wie ein 3D-Mikroskop in den Wolken zu nutzen, das Partikelgröße und -verteilung untersucht“, sagt Mohsen Bagheri.

Das Herzstück des Observatoriums bilden zwei optische Bildgebungssysteme, die mit leistungsstarken Lasern und Hochgeschwindigkeitskameras arbeiten. Eines davon kann die dreidimensionalen Positionen und Größen einzelner Wolkentröpfchen 75-Mal in der Sekunde rekonstruieren und ist damit eines der schnellsten holografischen Instrumente in der Luft. Das andere System misst die Turbulenz innerhalb von Wolken. Der CloudKite gleitet dabei mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 10 Metern pro Sekunde durch die Wolken – deutlich langsamer als Forschungsflugzeuge. „Zusammen mit der hohen Bildaufnahmerate des Instruments ermöglicht dies Messungen im Abstand von 12 Zentimetern – etwa 250-mal häufiger als bei früheren Beobachtungen aus der Luft“, sagt Eberhard Bodenschatz. „Der CloudKite eröffnet somit ein gänzlich neues Beobachtungsfenster in die Wolken.“

Das Team untersucht derzeit, wie Turbulenz mit diesen lokalen Clustering-Hotspots zusammenhängt. Zukünftige Feldkampagnen mit dem CloudKite-Observatorium sind in Amazonien, an der Ostsee und in Nordfinnland geplant.