Wolken & Partikel

Basis

Wasser in der Atmosphäre

Wasser ist die einzige Substanz, die natürlich in allen drei Formen (Aggregatzuständen) vorkommen kann: flüssig (Ozeane, Flüsse, Seen, ..), fest (Eis, Schnee, ..) und gasförmig (Wasserdampf).

Die Atmosphäre besteht nicht nur aus Luft, sondern auch aus Wasserdampf. Dieser ist für uns unsichtbar und auch geruchlos. Das Wasser in der Atmosphäre macht weniger als 0,001% am gesamten Wasser auf der Erde aus. Dennoch hat es eine hohe Bedeutung für unser Klima.

Schauen wir, welche Rolle Wasser in der Atmosphäre spielt und woraus Wolken bestehen.

Wenn wir Wasser trinken, ist es in seinem flüssigen Zustand. Beißen wir auf einen Eiswürfel, so sagen uns unsere Zähne, dass es fest ist. Wasser kann aber auch gasförmig sein. Dann liegt es in Form frei fliegender Moleküle vor, die wir allgemein als Wasserdampf oder Feuchte bezeichnen.
 

Geht Wasser aus seinem flüssigen Zustand in den gasförmigen über, so sprechen wir von Verdunstung oder Verdampfung. Dies geschieht z.B., wenn unsere Wäsche trocknet. Oder aber, wenn wir einen Haarfön benutzen: vorher war das Haar nass, nachher ist es trocken. Ist aber das Wasser verschwunden? Tatsächlich ist es immer noch im Badezimmer, aber in der Luft. Durch die hohe Temperatur des Föns ist das flüssige Wasser in Wasserdampf übergegangen, es ist verdunstet.
 

Kondensation ist das 'Gegenteil' von Verdunstung. Es ist der Prozess, bei dem Wasserdampf in flüssiges Wasser übergeht. Nach einem Bad ist das Badezimmer oft voll von Dampf und Luftfeuchte. Die warme, feuchte Luft kondensiert am kalten Badezimmerspiegel und wird dabei wieder flüssig. Wir sehen Tropfen auf dem Spiegel.

2. Kondensation und Verdunstung. Bild: J. Gourdeau
 

Wir könnten niemals auf einer Wolke gehen, da sie nur aus Wasser in der Luft besteht. Wolken bilden sich dadurch, dass Wasserdampf in Tröpfchen oder Eiskristalle übergeht, die leicht genug sind, in der Luft zu schweben.

Wenn Luft, die Wasserdampf enthält, sich bis zu ihrem Sättigungspunkt abkühlt, dann kondensiert der Wasserdampf in sichtbaren Wassertröpfchen, die wir Wolken nennen. Anders ausgedrückt: Sinkt die Temperatur, so entspricht der Sättigungspunkt dem Moment, in dem eine Kondensation erfolgt oder sich Tau bildet. Wir werden später sehen, dass dann die Wolkenbildung einsetzt. Um Wolken bilden zu können, benötigt der Wasserdampf auch winzige Partikel, an denen er kondensieren kann. Wir sprechen von Wolken-Kondensationskeimen (engl.: cloud condensation nuclei = CCN). In Einheit 2 erklären wir, auf welche Weise die Partikel bei der Bildung von Wolken helfen.

Niederschlag nennen wir das Wasser, das aus den Wolken fällt. Es kann Regen sein, Schnee oder Hagel ...

In einigen Wolken kommen winzige Wassertröpfchen zusammen, indem sie aneinanderstoßen und bilden größere Tropfen. Die Tropfen wachsen mehr und mehr, wobei das Volumen um ein Millionenfaches ansteigen kann. Schließlich werden sie zu schwer, um in der Luft zu bleiben und fallen als Regen zur Erde.

Wolken, die von Luft mit einer Temperatur von weniger als 0°C umgeben sind, bestehen aus Eiskristallen. Solche Eiskristalle liegen neben Tröpfchen und unterkühltem Wasser (Wasser, das flüssig bleibt, obwohl die Temperatur unter 0°C liegt) vor. Sie wachsen, wenn weiterer Wasserdampf sich an ihnen absetzt. Fallen die Eiskristalle, so können sie mit anderen zusammenstoßen. Hierdurch werden sie schwerer. Sind sie zu schwer, um noch in der Luft schweben zu können, so fallen sie zur Erde. Sie werden zu Schnee oder aber zu Regen, wenn ihr Weg durch Luft führt, die wärmer als 0°C ist.

4. Eiskristalle (© Rasmussen and Libbrecht , Y. Furukawa, www.snowcrystals.com)

Wasserkreislauf

Man stelle sich vor: Wir trinken dasselbe Wasser, wie die Dinosaurier. Tatsächlich bewegt sich Wasser auf unserem Planeten in einem ständigen Kreislauf.

Wir wissen, dass Wasser verdunstet, dass der Wasserdampf aufsteigt, sich abkühlt und in Wolken kondensiert. Die Wolken ziehen über das Land und Niederschlag fällt. Das Wasser füllt Seen, Bäche und Flüsse und fließt eventuell wieder in den Ozean zurück. Die Verdunstung startet von neuem. Wasser kann auch in den Boden eindringen (etwa 11%). Ein wichtiger Prozess im Wasserkreislauf ist die Abgabe über die Blätter der Pflanzen. Sie nehmen das Wasser über ihre Wurzeln aus dem Boden auf, pumpen es über Stamm und Stiel in die Blätter, von wo aus es wiederum verdunstet.

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Author: Justine Gourdeau LaMP Clermont ferrand/France
scientific reviewing: Dr Karine Sellegri, LaMP, France.
date of generation: 2003-08-26.
Übersetzung 2004 und letzte Überarbeitung 2007-09-04: Elmar Uherek, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz