Die Wolkenphysik ist ein Teilgebiet der Meteorologie und beschäftigt sich mit den physikalischen Ursache und Prozessen innerhalb von Wolke und dabei insbesondere mit deren Enstehung. Wolken bestehen nicht aus Wasserdampf, welches ein Gas und daher genauso unsichtbar wie die restliche Luft ist. Sie stellen vielmehr Aerosole dar, also eine Ansammlung von Wassertröpfchen. Erst nach dem Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur (die Taupunkttemperatur) bilden sich aus dem Wasserdampf winzige Wassertröpfchen, in großer Höhe auch winzige, schwebende Eiskristalle.
Wolkenbildung
Wolkenbildung bezeichnet den Prozess der Entstehung von Wolken durch Kondensation bzw. auch Resublimation von Wasserdampf an Kondensationskernen in der Troposphäre und teilweise auch Stratosphäre.
Eine sichtbare Wolke entsteht, wenn die Bedingungen für die Bildung stabiler Wassertröpfchen oder –kristalle erfüllt sind. Diese Bedingungen haben weniger mit einer Wasseraufnahmefähigkeit der Luft als mit dem Verhältnis von Kondensation und Verdunstung zu tun. An der Oberfläche des Wassertröpfchens innerhalb einer Wolken findet ein steter Austausch von Wassermolekülen zwischen der Umgebungsluft und dem Tropfens statt: Nur wenn sich an den Tropfen mehr Wassermoleküle anlagern als diesen gleichzeitig verlassen, nur wenn also die Kondensationsrate höher als die Verdunstungsrate ist, kann ein Tropfen wachsen und somit zu einer Wolkenbildung führen. Ob es dazu kommen kann hängt im Wesentlichen von zwei Größen ab:
- von der Anzahl der Wassermoleküle in der Umgebung des Tropfens: Je mehr Wasserdampfmoleküle das Tröpfchen umgeben, umso wahrscheinlicher ist es, das eines am Tröpfchen haften bleibt. Die Anzahl der Wasserdampfmoleküle kann auch durch den sogenannten Wasserdampfdruck ausgedrückt werden, das ist der Anteil des Gesamtluftdrucks, der durch den Wasserdampf entsteht.
- von der Temperatur des Wassertropfens: Je wärmer das Tröpfchen ist, umso leichter lösen sich Wassermoleküle vom Tropfen.
Die Bildung einer Wolke wird also begünstigt durch niedrige Temperaturen und durch eine große Anzahl Wassermoleküle bzw. durch einen hohen Wasserdampfdruck, was gleicbedeutend mit einer hohen Luftfeuchtigkeit ist.
Die Temperatur, bei der sich Kondensation und Verdunstung sich ausgleichen, heißt Taupunkttemperatur. Wird diese unterschritten, entstehen und wachsen unter betimmten Bedingungen stabile Tröpfchen. Diese Temperatur hängt vom jeweiligen Wasserdampfdruck ab. Der Wasserdampfdruck, bei der Kondensation und Verdunstung im Gleichgewicht sind, heißt Sättigungsdampfdruck. Dieser ist von der Temperatur abhängig und wird außerdem durch Krümmungs- und Lösungseffekte bestimmt.
Die Tropfenbildung in der Erdatmosphäre wird überhaupt erst ermöglicht durch das Vorhandensein einer ausreichenden Anzahl von Kondensationskeime. Solche Keime können zum Beispiel Staubkörnchen sein, aber auch größere Moleküle, Pollen oder – am Meer – Salzkristalle (siehe Aerosol).
In größeren Höhen ist die Wolkenbildung durch Kristallisationsprozesse gekennzeichnet.
Wegen der sehr geringen Größe der Tröpfchen – ungefähr 1 bis 15 μm oder 0.001 bis 0.015 mm – haben sie auch relativ geringe Fallgeschwindigkeiten, welche sich meist im Bereich von 1 bis 15 cm/s bewegen. Da Wolken häufig durch konvektive Aufwinde entstehen, sinken diese nicht etwa ab, sondern bleiben auf gleicher Höhe bzw. quellen auf (zum Beispiel der Kumulus). In Regenwolken sind die Tropfen größer (bis 3 mm) und somit auch die Fallgeschwindigkeit höher. Ist ein Schwellenwert überschritten, so dass der Aufwind das gravitative Absinken nicht mehr ausgleichen kann, beginnt es zu regnen. Im Falle des Hagels treten sehr starke Aufwinde auf, welche die Hagelkörner mehrmals absinken und wieder aufsteigen lassen.
In der Meteorologie werden Wolken nach Form und Höhe über dem Boden unterschieden. Eine Wolke in Bodennähe wird als Nebel bezeichnet. Im weiteren Sinne wird unter Wolkenbildung jedoch auch die Entstehung anderer Wolkentypen verstanden, wie beispielsweise Staubwolken oder Methan-Wolken, wobei man sich hierbei nicht auf die Erde begrenzt und auch die Wolkenbildung auf anderen Himmelskörpern mit einschließt.
Strahlungs- und Temperaturhaushalt der Atmosphäre
Wolken haben einen großen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und somit auch die Temperatur. Dies macht sich vor allem im Sommer bemerkbar. Einerseits am Tag: sobald sich eine Wolke vor die Sonne schiebt, gelangen nicht mehr alle Sonnenstrahlen bis auf die Erdoberfläche und es wird spürbar kälter. Global gesehen werden von den Wolken 20% der kurzwelligen Sonneneinstrahlung direkt zurückgestrahlt, gleichzeitig aber 3% absorbiert. Andererseits in der Nacht: eine geschlossene Wolkendecke hält die Wärme zurück und reflektiert sie zum Erdboden (siehe auch Treibhauseffekt). Während einer klaren Nacht kann es frostig werden, da die Wärme einfach ins Weltall abgestrahlt wird und durch die Atmosphäre - vor allem durch den darin enthaltenen Wasserdampf - nur wenig zurückgehalten werden kann. Die Auswirkungen des Wasserdampfes kann man auch in der Wüste beobachten, wo der Gehalt viel geringer ist: Hier wird in der Nacht viel mehr Wärme abgestrahlt beziehungsweise weniger Wärme zurückgehalten als in feuchteren Zonen, somit sind die Temperaturunterschiede von Tag zu Nacht auch viel höher.