Wolken & Partikel

Wolken bedecken im Durchschnitt 60% des Himmels. Sie fallen uns dann am meisten auf, wenn es aus ihnen regnet. 90% aller Wolken lösen sich allerdings wieder auf, ohne dass Regen aus ihnen gefallen wäre. Wolken spielen eine wichtige Rolle in der Strahlungsbilanz der Erde. Sie reflektieren einen Teil der von der Sonne kommenden Strahlung, die dann die Erde nicht erwärmen kann. Sie können allerdings auch von der Erde ausgehende Wärmestrahlung aufnehmen und so die unteren Luftschichten warm halten. In diesem Fall verhalten sie sich wie ein Treibhausgas.

Wolkentypen und -bildung

Abgesehen von den stratosphärischen Eiswolken, die nur selten beobachtet werden können und auch nur im Polargebiet, finden wir alle anderen Wolken in der Troposphäre zwischen Erdoberfläche und 15 km Höhe. Wir geben ihnen lateinische Namen, die ihre Form oder Höhe beschreiben. Einige Wolkenarten führe recht oft zu Regen, andere, wie z.B. die hohen Wolken, so gut wie nie.

Wolken bestehen aus Wassertröpfchen oder kleinen Eispartikeln, wenn die umgebende Luft kälter als 0°C ist. Die Tröpfchen bilden sich in einem Prozess, den wir Kondensation nennen. Dieser findet statt, wenn die Konzentration an Wassermolekülen, die in Form von Wasserdampf in der Luft sind, zu hoch wird. Wir sagen, die Luft ist mit Wasser gesättigt und kann keine weitere Feuchte mehr halten.

Partikel / Aerosole

Alle flüssigen oder festen Partikel in der Luft, die nicht aus Wasser bestehen, werden als Aerosol bezeichnet ('in der Luft gelöste' Materie).
Aerosol kann aus Staub bestehen, der vom Boden aufgewirbelt worden ist. Man denke an die Sandstürme der Sahara. Staub und Partikel entstehen natürlich auch in unseren Städten, zum Beispiel Ruß, der durch die Industrie oder Autoabgase freigesetzt wird. Genauso treten Partikel aber auch in sauberer Luft auf, wie z.B. über den Ozeanen. Hier gibt es Seesalzaerosol. Es wird dadurch gebildet, dass die Gischttröpfchen, die sich aus den Wellen bilden, in der Luft ihren Wasseranteil verdunsten. Das Verbleibende Salz treibt als Aerosol in der Luft. Schon weit bevor wir das Meeresufer erreichen, haben wir den Salzgeschmack auf den Lippen.

Pilzsporen, Bakterien, Pollen, Produkte aus biologischer Zersetzung ... all dies kann unter den Begriff Aerosol fallen. Die Partikel können eine Größe von 100 µm und mehr haben. Am anderen Ende der Skala können Partikel aber auch aus nur wenigen Molekülen bestehen, sogenannte Molekülcluster. Moderne Messtechniken erlauben es, Partikel von bis zu 3 nm Größe zu detektieren, d.h. drei Millionstel eines Millimeters. Typische für solche Kleinstpartikel sind Schwefelsäureaerosole oder organische Aerosole, die sich durch chemische Reaktionen in der Luft gebildet haben. Wie alle andere Inhaltsstoffe der Luft, werden auch Aerosole nicht nur gebildet, sondern auch wieder entfernt.

Ein möglicher Weg ist trockene Deposition. Hierunter verstehen wir, dass die Partikel einfach absinken und an Oberflächen haften bleiben. Eine andere Möglichkeit ist, dass sie mit dem Regen ausgewaschen werden. Aerosole in Bodennähe (< 1,5 km) verweilen typischerweise zwischen einem halben und zwei Tagen in der Luft. Mit ansteigender Höhe steigt diese Aufenthaltszeit. Aerosole, die durch Vulkanausbrüche in die Stratosphäre geschleudert werden, können dort sogar 1-2 Jahre verweilen. Wie Wolken, so haben auch Partikel einen Einfluss auf das Licht auf seinem Weg zur Erde. Sie können die Durchsichtigkeit der Atmosphäre vermindern.

Der Wasserzyklus

Im Vergleich zu den 1,4 Milliarden km³ Wasser in den Ozeanen, erscheint die winzige Menge von etwa 12900 km³, die in der Atmosphäre enthalten sind (etwas 0,001% der weltweiten Wasseresourcen) als vernachlässigbar. Für das Klimasystem sind sie jedoch sehr wichtig. Zum einen ist das Wasser in der Luft ein System in stetiger Bewegung. Etwa 500.000 km³ reisen jedes Jahr durch die Luft, verdunsten, kondensieren, fallen als Regen oder Schnee. Die gesamte atmosphärische Feuchte wird somit rund 40x pro Jahr ausgetauscht.
Zum anderen hat Wasser nur in der Atmosphäre einen solch starken Einfluss auf das Licht auf seinem Weg zur Erde und zurück in den Weltraum. Steigt die Menge an Wasser in der Luft durch die globale Erwärmung und bilden sich hierdurch mehr Wolken, so hat dies große Auswirkungen für den Energiehaushalt unserer Erde.

Einfluß der Wolken auf das Klimasystem

Sind Wolken an ihrer Oberseite weiß, so reflektieren sie Sonnenlicht wie Eis und Schnee. Wir bezeichnen das Reflexionsvermögen als Albedo. Wolken können aber auch die Atmosphäre warm halten wie ein Treibhausgas, wenn sie Wärmestrahlung absorbieren. Beide Effekte beeinflussen die Temperatur an der Erdoberfläche, negativ oder positiv. Unsere Erde hat eine mittlere Temperatur von 15°C. Die Abbildung links zeigt, welche Temperatur sie hätte, wenn sie ganz mit Schnee, Wüste, Ackerland, Wald oder Ozeanen bedeckt wäre. Man kann sich vorstellen, dass 10% mehr Wolken, so weiß wie Schnee, deutliche Auswirkungen haben. Zum einen sind aber nicht alle Wolken weiß und ihre Treibhauswirkung kann diesen Effekt der Reflexion ausgleichen.

7. Verschiedene Wolken haben verschiedene Albedos. Bild: Justine Gourdeau

Wie wir sehen, haben Wolken verschiedene Eigenschaften, die zudem noch von den Eigenschaften der Partikel in der Luft abhängen. Dadurch wird es sehr schwer, vorherzusagen, was geschehen wird, wenn die globale Erwärmung den Wasserdampfgehalt der Luft ansteigen lässt und sich infolge dessen mehr Wolken bilden.

Weitere Informationen zu Bildung, Eigenschaften und Bedeutung von WOLKEN & PARTIKELN gibt das entsprechende Kapitel der Klimaenzyklopädie.