Wie Regen entsteht: Forschende entdecken verborgene Hotspots in Wolken

Das Regen-Rätsel bekommt eine neue Spur: Was in Wolken wirklich passiert Teaser: Ein ungewöhnlicher Wolkendrache zeigt winzige Tröpfchen-Hotspots – mögliche Keimzellen für Regen.

Von außen wirken Cumuluswolken fast gemütlich: weiß, weich, ein bisschen wie Watte am Himmel. Im Inneren herrscht allerdings eine erstaunlich komplexe Welt aus Luftströmungen und Abermillionen winziger Wassertröpfchen.

Und ausgerechnet eine scheinbar einfache Frage beschäftigt die Atmosphärenforschung seit Jahrzehnten: Wie schaffen es diese winzigen Tröpfchen, innerhalb kurzer Zeit zu Regentropfen heranzuwachsen?

Ein Forschungsteam um Birte Thiede vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen hat nun eine bislang verborgene Struktur in solchen Wolken entdeckt. Statt gleichmäßig verteilt zu sein, sammeln sich die Tröpfchen stellenweise in winzigen, stark verdichteten Bereichen. Genau dort könnte Regen seinen Anfang nehmen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Warum warmer Regen Forschende seit Jahrzehnten beschäftigt Bei hohen, kalten Wolken lässt sich die Entstehung von Niederschlag vergleichsweise gut erklären: Eiskristalle spielen dort eine wichtige Rolle beim Wachstum größerer Teilchen.

Anders sieht es bei flachen, warmen Cumuluswolken aus. Sie bestehen vor allem aus flüssigen Wassertröpfchen und können trotzdem innerhalb weniger Minuten Regen produzieren. Damit daraus Regentropfen werden, müssen kleine Tröpfchen miteinander kollidieren, verschmelzen und immer weiter wachsen. Wie dieser Prozess schnell genug in Gang kommt, gehört zu den hartnäckigen offenen Fragen der Wolkenphysik.

Die bisherigen Modelle gingen häufig davon aus, dass die Tröpfchen innerhalb einer Wolke vergleichsweise gleichmäßig verteilt sind oder nur schwach zusammenballen.

Genau hier beginnt die Überraschung.

Ein Wolkendrache schaut genauer hin als ein Flugzeug Um das Innere der Wolken detaillierter untersuchen zu können, entwickelten die Forschenden eine ungewöhnliche Messplattform: den Max Planck CloudKite .

Der Ballon-Drachen trägt hochpräzise optische Instrumente durch die Wolke. Anders als ein Forschungsflugzeug bewegt er sich vergleichsweise langsam und erzeugt deutlich weniger störende Luftbewegungen. Hochgeschwindigkeitskameras und Lasersysteme können dadurch Position und Größe einzelner Wolkentröpfchen dreidimensional erfassen.

Das holografische Messsystem nimmt bis zu 75 Messungen pro Sekunde auf. Bei den untersuchten Flügen lagen einzelne Messpunkte horizontal nur etwa zwölf Zentimeter auseinander – rund 250-mal dichter als bei früheren luftgestützten Beobachtungen.

Vor Barbados untersuchte das Team damit flache Cumuluswolken der Passatregion. In einem rund 55 Meter langen Wolkenabschnitt entstanden 468 holografische Aufnahmen der Tröpfchenverteilung.

Plötzlich tauchten kleine Hotspots auf Was die Forschenden fanden, passte nicht zu der Vorstellung einer weitgehend gleichmäßig gefüllten Wolke.

Die Tröpfchen bildeten stark lokalisierte Verdichtungen auf Skalen von etwa einem halben Meter oder weniger . Außerhalb dieser kleinen Bereiche war die Verteilung deutlich weniger ausgeprägt.

Das klingt zunächst nach einem Detail für Wolkenphysiker. Für die Entstehung von Regen könnte es jedoch entscheidend sein.

Denn je dichter Wassertröpfchen beieinanderliegen, desto wahrscheinlicher werden Zusammenstöße. Und genau diese Kollisionen ermöglichen es einzelnen Tropfen, größer zu werden und schließlich weitere Tröpfchen einzusammeln.

Die kleinen Verdichtungen könnten deshalb eine Art Startzone für Regentropfen darstellen. Die Studie zeigt, dass das Clustering wesentlich stärker und räumlich konzentrierter auftreten kann, als frühere Messungen vermuten ließen.

Vielleicht braucht eine Wolke nur einige „glückliche“ Tropfen Dahinter steckt eine faszinierende Idee: Nicht Millionen Tröpfchen müssen gleichzeitig wachsen.

Möglicherweise reichen wenige besonders günstig platzierte Tropfen aus. In einem solchen Hotspot kollidieren sie häufiger, werden etwas größer – und haben anschließend wiederum bessere Chancen, weitere Tröpfchen einzusammeln.

So könnte eine Art Kettenreaktion entstehen.

Die Forschenden schreiben selbst, dass die höhere Kollisionswahrscheinlichkeit in den beobachteten Clustern möglicherweise dazu beitragen kann, das bislang schwer erklärbare schnelle Einsetzen von warmem Regen zu verstehen. Bewiesen ist dieser Zusammenhang allerdings noch nicht.

Was Wolken mit Wetter und Klima zu tun haben Die Entdeckung ist deshalb weit mehr als eine hübsche Antwort auf die Frage, wo Regentropfen geboren werden.

Warme Wolken bedecken große Teile der Erde und beeinflussen sowohl den Wasserkreislauf als auch den Energiehaushalt unseres Planeten. Wie lange Wolken bestehen bleiben, wann sie abregnen und wie viel Sonnenlicht sie zurück ins All reflektieren, hängt stark von ihrer mikrophysikalischen Struktur ab.

Wer diese Prozesse genauer versteht, kann langfristig auch Wetter- und Klimamodelle verbessern.

Das Team untersucht deshalb bereits, wie Turbulenzen mit den beobachteten Tröpfchen-Hotspots zusammenhängen. Weitere Messkampagnen mit dem CloudKite sind unter anderem in Amazonien, an der Ostsee und in Nordfinnland vorgesehen.

Gelöst ist das Regen-Rätsel noch nicht – aber wir können ihm plötzlich beim Arbeiten zusehen Die neue Studie liefert damit einen wichtigen Hinweis, aber noch keinen endgültigen Schlussstrich unter das jahrzehntealte Rätsel.

Bisher wurde ein begrenzter Ausschnitt bestimmter flacher Cumuluswolken untersucht. Die entscheidende nächste Frage lautet nun: Tauchen solche Hotspots regelmäßig in unterschiedlichen warmen Wolken auf – und entstehen dort tatsächlich die ersten Regentropfen?

Genau darin liegt die Stärke der Entdeckung.

Zum ersten Mal lässt sich die verborgene Struktur dieser Wolken in einem Maßstab beobachten, der zuvor kaum zugänglich war. Statt eine Wolke nur als große grauweiße Masse zu betrachten, können Forschende zunehmend verfolgen, was zwischen einzelnen Tröpfchen passiert.

Manchmal braucht es eben keinen neuen Satelliten, um dem Wetter auf die Spur zu kommen.

Manchmal genügt ein ziemlich schlauer Drachen.