Wolken bedecken einen großen Teil des Himmels, doch ausgerechnet die Frage, wie in ihnen Regen entsteht, gilt als eines der hartnäckigsten Rätsel der Atmosphärenforschung. In flachen Schönwetterwolken ohne Eiskristalle müssen winzige Wassertröpfchen irgendwie zu großen, fallfähigen Tropfen zusammenfinden. Ein Forschungsteam hat nun mit einer ungewöhnlichen Messplattform ins Innere einer solchen Wolke geblickt. Was es dort fand, stellt eine gängige Annahme über die Verteilung der Tröpfchen infrage.
Wolken bestehen aus unzähligen mikroskopisch kleinen Wassertröpfchen, die zunächst nur wenige Tausendstel Millimeter messen. Damit aus ihnen Regen wird, müssen diese Tröpfchen auf ein Vielfaches ihrer Größe anwachsen, bis sie schwer genug sind, um zu Boden zu fallen. In hohen, kalten Wolken übernehmen Eiskristalle die Rolle von Kristallisationskeimen und beschleunigen diesen Prozess. Flache Schönwetterwolken, sogenannte Cumuluswolken, enthalten dagegen ausschließlich flüssige Tröpfchen und keine Eiskristalle. Trotzdem können sie innerhalb weniger Minuten Regen hervorbringen. Wie die kleinen Tröpfchen dabei so schnell zu großen Tropfen verschmelzen, ist bislang nicht vollständig verstanden. Da solche Wolken riesige Flächen über Ozeanen und Land bedecken, beeinflusst diese Frage nicht nur den Niederschlag, sondern auch den Strahlungshaushalt und damit das Klima der Erde.
Bisherige Messungen legten nahe, dass sich die Tröpfchen in einer Wolke nur schwach und weiträumig zusammenlagern. Um kleinste Strukturen sichtbar zu machen, brauchte es jedoch eine Messtechnik mit deutlich höherer räumlicher Auflösung, als sie Forschungsflugzeuge liefern. Wie stark atmosphärische Prozesse das Wettergeschehen prägen, zeigt sich auch im großen Maßstab, etwa wenn ein starker El Niño das Wetter weltweit verändert. Im Kleinen entscheidet dagegen die Verteilung einzelner Tröpfchen darüber, ob und wann eine Wolke abregnet. Genau auf dieser Ebene setzten die Forschenden an und rekonstruierten die innere Struktur eines Wolkenabschnitts Tröpfchen für Tröpfchen. Ihr Ziel war es, jene Orte zu finden, an denen die Bedingungen für das Zusammenstoßen und Verschmelzen der Tröpfchen besonders günstig sind.
Für ihre Messungen nutzte das Team am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation eine eigens entwickelte Plattform namens CloudKite, eine Art Ballon-Drachen mit einer Messgondel. Damit ließen sich in Passatwolken nahe der Karibikinsel Barbados die mikroskopischen Partikel im Wolkeninneren mit bislang unerreichter Auflösung erfassen. Aus den holografischen Aufnahmen rekonstruierten die Forschenden die innere Anatomie eines rund 55 Meter langen Abschnitts einer flachen Cumuluswolke. Wie das Team in einer Untersuchung in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschreibt, waren die Tröpfchen darin alles andere als gleichmäßig verteilt. Stattdessen zeigten sich klar abgegrenzte Bereiche, in denen die Tröpfchen sehr viel dichter beieinanderlagen als in ihrer Umgebung. Damit wird eine lange gehegte Annahme über die gleichförmige Verteilung von Tröpfchen infrage gestellt.
Die dichten Ballungszonen, von den Forschenden als Hotspots bezeichnet, waren nur etwa einen Meter groß oder sogar kleiner. Innerhalb dieser Bereiche liegen die Tröpfchen so eng beieinander, dass die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße stark steigt. Genau solche Kollisionen aber sind die Voraussetzung dafür, dass aus vielen kleinen Tröpfchen wenige große Tropfen entstehen. Nach Einschätzung des Teams könnten diese eng begrenzten Hotspots deshalb genau jene Orte sein, an denen in flachen Wolken der Regen seinen Anfang nimmt. Damit liefert die Studie einen möglichen Ausweg aus einem alten Engpass: Bislang konnte niemand schlüssig erklären, wie in eisfreien Wolken der erste Schritt zum Regentropfen so schnell gelingt. Dass ein Maßstab von nur einem Meter darüber mitentscheidet, hatten die gängigen Modelle nicht auf dem Schirm.
Für die Wettervorhersage und für Klimamodelle sind solche kleinräumigen Prozesse von erheblicher Bedeutung. Flache Wolken bedecken weite Teile der Ozeane und Landflächen und bestimmen mit, wie viel Sonnenlicht reflektiert wird und wie viel Regen fällt. Werden die entscheidenden Vorgänge auf der Ebene einzelner Tröpfchen bislang nur grob abgebildet, entstehen Unsicherheiten in den Prognosen. Dass Wolken hochkomplexe und teils überraschende Dynamiken zeigen, verdeutlicht auch ein Waldbrand in Frankreich, der sein eigenes Gewitter erzeugte. Die neuen Erkenntnisse liefern nun einen konkreten Ansatzpunkt, um die Entstehung von Niederschlag realistischer zu beschreiben. Künftige Modelle könnten die beobachtete Ballung der Tröpfchen berücksichtigen und so besser vorhersagen, wann eine harmlos wirkende Schönwetterwolke tatsächlich zu regnen beginnt.
Proceedings of the National Academy of Sciences, Highly localized droplet clustering in shallow cumulus clouds; doi:10.1073/pnas.2602976123