Wie Regentropfen gebildet werden, war bisher ungeklärt. Jetzt gibt es erste Hinweise auf deren Entstehung. Windturbulenzen in den Wolken formen winzige Wassertröpfchen in kurzer Zeit zu Regentropfen.
Wie eine Zentrifuge schleudern diese Windturbulenzen die winzigen Tröpfchen an den Rand des Wirbels, wo sie zu größeren Tropfen verschmelzen, so Physiker des Weizmann-Institutes im israelischen Rehovot.
Lücke zwischen Theorie und Praxis
Was die Entstehung von Regen betrifft, klafften bei den Wissenschaftlern bisher Theorie und Erfahrung weit auseinander. Sie sind sich zwar darüber einig, wie sich Tropfen bilden: Wasserdampf kondensiert an winzigen Staub- und Schmutzteilchen in der Atmosphäre, die Partikel wachsen immer weiter an, bis sie etwa einen Millimeter Durchmesser haben.
Dann haben sie infolge der Oberflächenspannung Kugelform und sind damit schwer genug, um zu fallen - es regnet. Ein fallender Tropfen nimmt die Form des geringsten Luftwiderstands, eine stromlinienförmige Tropfenform, an.
Wenn es regnet
Regen ist per Definition flüssiger Niederschlag bei Tropfendurchmessern über 0,5 mm. Die größten Regentropfen haben etwa sieben mm Durchmesser, noch größere Tropfen zerplatzen nach kurzer Fallstrecke. Die größte Fallgeschwindigkeit liegt bei acht m/s.
Schnelle Geburt
Ganz und gar nicht stimmen die Forscher aber darin überein, wie lange der Prozess der Tropfenbildung dauert. "Wenn man die Zeit abschätzt, die Tropfen brauchen, um von Mikrometern auf Millimeter anzuwachsen, käme man auf etwa zehn bis 15 Stunden", erklärt Gregory Falkovich vom Weizmann Institute of Science in Rehovot. Doch wie man aus Erfahrung weiß, kann das sehr viel schneller gehen - manchmal fallen die ersten Tropfen schon nach einer halben Stunde.
Die Theoretiker hatten schon länger den Wind in Verdacht. Er sollte die relative Geschwindigkeit der winzigen Tröpfchen erhöhen, die dadurch häufiger kollidieren und so schneller verschmelzen würden. Doch die damit gefütterten Modelle lieferten noch immer nicht die erhofften Ergebnisse. Falkovich und seine Kollegen bieten nun einen neuen Erklärungsansatz.
Wolken
.... sind sichtbare Ansammlungen von Wassertröpfchen oder Eisteilchen oder einem Gemisch von beiden in der Atmosphäre. Wolken entstehen, wenn bei Abkühlung der Wasserdampf enthaltenden Luft der Sättigungspunkt überschritten wird und der Wasserdampf kondensiert. Bei Ausfall der Tröpfchen oder Eisteilchen durch zu starkes Anwachsen kommt es zu Niederschlägen. Vom Nebel unterscheiden sich Wolken nur durch ihre Höhe vom Erdboden. Die wichtigsten Grundformen der Wolkenbildung sind die Schichtwolken (Stratus), Haufenwolken (Kumulus), Federwolken (Zirrus) und Regenwolken (Nimbostratus).
Turbulenzen als Zentrifugen
Die Physiker gehen davon aus, dass Turbulenzen im Innern der Wolken wie Zentrifugen wirken und die mikrometergroßen Teilchen an die Ränder der Wirbel schleudern, wo sie sich zusammenlagern.
"In diesen dichten Ansammlungen ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass sie kollidieren und größere Tropfen bilden", erläutern sie. Den Ergebnissen ihrer Simulationen zufolge hätten diese Wasser-Cluster etwa einen Millimeter Durchmesser - genau die richtige Größe für einen ordentlichen Regentropfen.
Regen und Wolken: Der Faktor Sonne
Ohne Sonne gäbe es keine Wolken und keinen Regen. Durch die Sonneneinstrahlung
wird Wasser auf der Erdoberfläche zum Verdunsten gebracht. Der Wasserdampf steigt
auf und kondensiert zwischen 500 und 1.500 Metern über der Erdoberfläche zu
feinsten Tröpfchen. Dabei geben die Tröpfchen die Energie wieder ab, die die
Sonne benötigt hat, um sie zum Verdunsten zu bringen.
Das Ergebnis: Es bilden sich Wolken. Deshalb werden diese kleinen Tröpfchen
(Durchmesser: 10-50 µm) auch Wolkentröpfchen genannt. Die Temperaturgrenze,
an der die Wolken entstehen, wird auch Kondensationsniveau genannt.
Warum die Wolken nicht vom Himmel fallen
Regentropfen haben einen etwa hundertfach größeren Durchmesser (0,5-5 mm) als Wolkentröpfchen. Letztere sind so leicht, dass schwache Aufwinde ausreichen, um sie in der Luft zu halten. Deshalb fallen die Wolken auch nicht vom Himmel. Damit es aber regnet - also wirklich was vom Himmel fällt -, müssen die Tröpfchen wachsen und dabei schwerer werden.
Regen in den gemäßigten Breiten
In unseren Breiten entstehen Regentropfen über die Zwischenstation eines Eiskristalls. Wolken wachsen bei uns bis zu 10.000 Meter in die Höhe, in die obere Troposphäre. Dort herrschen eisige Temperaturen. Die Wolkentröpfchen, die in diese Höhen steigen, unterkühlen und gefrieren dort bei Temperaturen zwischen -20 und -40 Grad Celsius zu Eiskristallen. Aus diesen werden später Regentropfen.
Eiskristalle können relativ einfach wachsen. In ihre Gitterstruktur werden Wassermoleküle leichter und fester eingebunden als bei Wassertröpfchen. Die Eiskristalle, die langsam zur Erde sinken, sammeln dabei Wolkentröpfchen und werden zu "Graupelkörnern". Sobald diese über die Temperaturgrenze von null Grad Celsius gelangen, schmelzen sie und fallen als Regentropfen zur Erde.
Department of Physics of Complex Systems des Weizmann Institutes
Weizmann Institute of Science Faculty of Physics-Homepage von Gregory Falkovich