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Unten glatt, oben knollig: Das Muster des Monats, 09/2016

Muster des Monats; Stephan Matthiesen 2016 (CC-BY)

Klar, Wolken, diesmal über Southampton (rechts im Hintergrund die Isle of Wight). Aber warum haben Wolken eigentlich diese typische Wolkenform?

Wenn Sie ganz schnell eine Wolke zeichnen sollen, dann wird die Skizze wohl ungefähr so aussehen - unten flach, oben knollenförmig ausgebuchtet:

Wolkensymbol; Stephan Matthiesen 2016 (CC-BY)

Auch auf Wetterkarten wird diese Grundform als intuitiv verständliches Symbol für Wolkenbedeckung verwendet.

Es handelt sich hier um Schönwetterwolken, so genannte Cumuluswolken oder Haufenwolken (von lat. cumulus = Haufen). Man sieht, dass ihre Untergrenze sehr flach ist und zudem die Untergrenzen aller einzelnen Wolken auf derselben Höhe liegen, während die Obergrenzen viel variabler sind:

Wolken; Stephan Matthiesen 2016 (CC-BY)

Cumuluswolken entstehen durch das Aufsteigen von Luftpaketen. Der Boden wird von der Sonne erwärmt, sodass sich die Luft am Boden erwärmt. Sie wird wärmer als die darüber liegende Luft, und Luftpakete beginnen aufzusteigen. Diese Umwälzung durch Erwärmung wird als Konvektion bezeichnet. Man kann Konvektion schön beobachten, wenn man eine Suppe kocht, am besten eine dünne Suppe mit Einlagen, etwa eine Nudel- oder Frittatensuppe. Der Topf wird von unten erhitzt, dabei wird die Flüssigkeit umgewälzt und man sieht, wie die Nudeln oder Frittaten an einigen Stellen vom Boden aufsteigen.

Der Druck in der Atmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Die aufsteigenden Luftpakete dehnen sich daher aus und kühlen dabei ab. In einer bestimmten Höhe ist die Luft so weit abgekühlt, dass der in ihr vorhandene Wasserdampf kondensiert und eine sichtbare Wolke entsteht.

In welcher Höhe genau das stattfindet, hängt von der Luftfeuchtigkeit und der Umgebungstemperatur ab, daher hängen Wolken an manchen Tagern höher und an anderen niedriger. Doch zu einem gegebenen Zeitpunkt sind die Umgebungsbedingungen in einem Gebiet meist ziemlich ähnlich, daher beginnt die Kondensation bei allen aufsteigenden Luftpaketen ziemlich genau in der gleichen Höhe, dem so genannte Kondensationsniveau. Dies erklärt die glatte Unterkante der Wolken, und dass die Basis benachbarter Wolken auf gleicher Höhe liegen.

Die Luftpakete steigen dann über das Kondensationsniveau auf und kühlen weiter ab. In irgendeiner Höhe sind sie dann so weit abgekühlt, dass sie die gleiche Temperatur wie die Umgebung haben, sie verlieren also ihren Auftrieb. Dies ist das so genannte Gleichgewichtsniveau. Es bestimmt die Höhe der Wolkenoberseite. Die Luftpakete sind jedoch in Bewegung und schießen etwas über diese Gleichgewichtshöhe hinaus, ähnlich wie ein Korken aus dem Wasser springt und dann wieder zurückfällt, wenn man ihn unter Wasser los lässt. Die Obergrenze der Wolken ist daher nicht so glatt wie die Untergrenze, denn die überschießenden Luftpakete bilden knollenförmige Erhebungen, bevor sie wieder zurückfallen:

Wolken; Stephan Matthiesen (CC-BY)

Eine kleine Skizze zeigt die Entstehung derartiger Haufenwolken mit ihrer glatten Basis und knolligen Oberseite noch einmal schematisch:

Wolkenskizze; Stephan Matthiesen (CC-BY)

Freilich haben nicht alle Wolken, die wir am Himmel sehen, diese einfache Form. Vielmehr gibt es oft eine verwirrende Formenvielfalt (dieses Bild aus dem Hafen von Southampton haben wir bereits im Muster des Monats 11/2013 diskutiert):

Wolken; Stephan Matthiesen 2016 (CC-BY)

Als der Londoner Apotheker Luke Howard im Jahr 1802, angeregt durch die Klassifizierung der Tier- und Pflanzenarten durch zeitgenössiche Biologen wie Carl von Linné, erstmals eine Klassifizierung der Wolkenarten entwickelte, definierte er drei Grundklassen (mit lateinischen Namen, wie es sich damals in der Wissenschaft gehörte), definiert durch die Form:

  • Cirrus (von lat. cirrus = Haarlocke, Fransen) oder Federwolken als "parallele, gebogene Fasern, die sich in beliebige oder alle Richtungen ausdehnen",
  • Stratus (von lat. stratus = Decke, Teppich) oder Schichtwolken als "eine sehr weit horizontal ausgebreitete Decke", sowie
  • Cumulus (von lat. cumulus = Haufen) als "konische oder konvexe Haufen, die von einer horizontalen Basis nach oben steigen".

Als weiteren Typen definierte er Nimbus (von lat. nimbus = Regen, Unwetter) als Wolken, aus denen gerade Regen fällt, was in seinem System etwas aus dem Rahmen fällt, da es aus Wolken verschiedener Gestalt herausregnen kann.

Auch die moderne Wolkenklassifizierung baut noch auf Howards System auf, nimmt jedoch die Höhe als wichtiges Kriterium hinzu. Es ergeben sich zehn grundlegende Wolkentypen, deren Namen immer noch auf die Howard'schen Grundgestalten sowie gewisse Zwischenformen zurück gehen:

  • niedrige Wolken: Stratus, Cumulus und Cumulostratus,
  • mittelhohe Wolke: Altocumulus, Altostratus (von lat. altus = hoch), also hohe Haufen- bzw. Schichtwolken,
  • hohe Wolken: Cirrus, Cirrocumulus und Cirrostratus,
  • vertikale Wolken (die sich über mehrere Höhen erstrecken): Nimbostratus (Regenschichtwolken) und Cumulonimbus (haufenartige, sich hoch auftürmende Gewitterwolken).

Zu diesen Grundgattungen gibt es eine verwirrende Vielfalt von Arten und Unterarten mit so hübschen Namen wie Cirrus fibratus vertebratus für Federwolken (Cirrus), die "faserartig" (fibratus) aussehen und die "skelettartig" (vertebratus) wie Wirbelsäule und Rippen eines Tiers angeordnet sind.

Doch für den ersten Überblick am Himmel hilft bereits ungemein, wenn man sich an den drei Grundgestalten "Haufenwolken", "Schichtwolken" und "Federwolken" orientiert.

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