Meteorologie & Physik

Schon immer war es der Wunsch des Menschen, das Wetter zu beeinflussen – früher durch Regenmacher, heute durch Chemie. Doch je mehr wir über den Regen wissen, desto klarer wird, wie wenig wir wissen.

Mit dem Schlachtruf »Thor! Thor!« auf den Lippen stürmten die Germanen, ihre Streitäxte schwingend, von den Hügeln des Teutoburger Waldes herab und brachten den Legionen des römischen Feldherrn Varus eine vernichtende Niederlage bei. 20 000 der verhassten Besatzer ließen an diesem Morgen des 9. September im Jahr 9 n. Chr. ihr Leben, und Hermann der Cherusker und seine Krieger gingen in die Geschichte ein. Sie konnten sich dafür bei ihrem Regengott Thor bedanken – der hatte ihre Bitte erhört: Er schickte ein schweres Unwetter, begleitet von Blitz, Donner und dem heftigsten Regen, den ein Mensch sich vorstellen kann. Binnen Minuten versanken die Römer mit ihren schweren Rüstungen im Schlamm.

Die Bitte um Regen ist Gegenstand zahlreicher Riten; indigene Völker kennen noch heute Regenmacher und Regentänze. Fast alle Naturreligionen haben ihre Regengötter, ob Quetzalcoatl in Mexiko, der von Azteken, Maya und Tolteken verehrt wurde – oder Thor, der den Germanen half, die Römer zu besiegen.

Göttlichen Beistand braucht man heute nicht mehr zu bemühen, wenn man will, dass es regnet. Chemie genügt. Militär-Wissenschaftler haben bereits Mitte des vergangenen Jahrhunderts Mittel und Wege gefunden, den Regen genau dort niedergehen zu lassen, wo sie ihn brauchten. Auf der Basis von Forschungsergebnissen des amerikanischen Chemie-Nobelpreisträgers Irving Langmuir flog die US-Airforce in den 1960er Jahren unter dem Decknamen »Operation Popeye« Einsätze in Vietnam, bei denen Silber- und Bleijodid gestreut wurden: Die Substanzen verursachten starke Regenfälle über dem Ho-Chi-Minh-Pfad, dem Versorgungsweg der feindlichen Vietcong – doch trotz der Überschwemmungen konnten die USA den Krieg nicht gewinnen.

1978 verabschiedeten die Vereinten Nationen aufgrund des Bekanntwerdens dieser Experimente das »Enmod Warfare«-Abkommen zum Verbot jeglicher »Umweltwaffen«. Zivile Versuche zur Manipulation der Wolkenbildung laufen jedoch weiter. Unter dem Stichwort »Geo-Engineering« experimentieren derzeit etwa 30 Nationen in dieser Richtung. Am weitesten ist man in China, wo im November letzten Jahres 16 Millionen Tonnen künstlich erzeugter Schnee die Hauptstadt Peking ins Chaos stürzten. »Owning the weather in 2025« heißt die derzeit größte Studie zur Wetterbeeinflussung, an der die Air University Alabama in den Vereinigten Staaten arbeitet. Die Ergebnisse sind noch nicht veröffentlicht.

Dass der Mensch sich gewissermaßen zum Wettergott aufspielen kann, ist eher verwunderlich, denn was sich einige Kilometer über unseren Köpfen in den Wolken abspielt, ist überhaupt noch nicht geklärt. Ein unberechenbares Chaos von Auf- und Abwinden, von Kollision und Vereinigung, macht das Leben in den Wolken zu einem Mysterium der Wissenschaft. Selbst Radaraufnahmen geben das Geschehen nur unvollständig wieder. Im Tropfensimulator des »Instituts für Physik der Atmosphäre« der Universität Mainz, einem der größten seiner Art, versucht man deshalb, durch Windkanalversuche den Dingen auf den Grund zu kommen. »Man muss sich wundern, dass es überhaupt regnet«, sagt Rupprecht Jae­nicke, Professor an diesem Institut. »Wie die Tröpfchen heranwachsen, ist äußerst kompliziert.«

Der größte Gewitterregentropfen, der je fotografiert wurde, besaß einen Durchmesser von neun Millimetern, das Neunzigfache eines Nieselregentropfens. Cumulonimbuswolken, in denen Gewitterregen mit Tropfen entstehen, wie Varus’ Legionäre sie zu spüren bekamen, können sich bis zu 18 Kilometer hoch auftürmen und 90.000 Tonnen Wasser enthalten.

Dabei fängt alles so harmlos an. Am Lebensbeginn einer Wolke stehen Wasserpartikel mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern (0,05 Millimeter): vom Boden aufgestiegener Wasserdampf (Nebel), der in höheren und kühleren Luftschichten zu Tröpfchen wird. Er steigt auf, weil er leichter als Luft ist (er hat nur 62,5 Prozent des Luftgewichts); der Nebel kondensiert vom gasförmigen in den flüssigen Zustand, wenn beim Aufsteigen der Taupunkt erreicht wird (100 Prozent Luftfeuchte). Zehn Kilometer über der Erdoberfläche, in der oberen Troposphäre, bei minus 15 bis minus 19 Grad Celsius, wo sich das gesamte Wettergeschehen unseres Planeten abspielt, werden die Tröpfchen zu Eiskristallen. Sie prallen immer wieder zusammen, verbinden sich dabei und werden schwerer, sinken nach unten, tauen wieder auf, werden von Aufwinden erneut nach oben getragen – ein manchmal tagelanges Auf und Ab. Startschuss für das Abregnen ist der Augenblick, wenn ihr Gewicht größer wird als die Kraft der Aufwinde, die sie in der Schwebe gehalten haben.

Irgendwann hängen dann am unteren Rand der Wolke so viele große Tropfen, dass es kein Halten mehr gibt. Jetzt geht alles rasend schell: Tanzten die kreisrunden Tropfen in der Wolke noch wie durchsichtige Christbaumkugeln auf und ab, verändern sie im Fall permanent ihre Form. Bei zwei Millimeter Größe (ein Tropfen wiegt dann knapp 0,05 Gramm) werden sie oben halbkugelförmig und unten durch den Luftwiderstand flach wie ein Hamburger. Je nach dem Druck, dem sie durch die Winde ausgesetzt sind, werden sie immer flacher und breiter oder blähen sich auf wie umgedrehte Plas­tiktüten. Nur eine Form nimmt der Tropfen zu keinem Zeitpunkt seiner Reise an: die »Tropfenform« – sie erreicht er nur bei der Ablösung von einem festen Körper, zum Beispiel einem Wasserhahn.

Je mehr Kollisionen und Zusammenschlüsse er unterwegs mit anderen Tropfen erlebt, desto größer wird er, desto schneller wächst und fliegt er. Allerdings nur bis zu einer natürlichen Obergrenze: Spätes­tens wenn sein Durchmesser neun Millimeter erreicht und er mit etwa acht Meter pro Sekunde abwärts saust, wird der Druck im Inneren des Tropfens größer, als die Oberflächenspannung aushalten kann. Er zerplatzt und zerfällt innerhalb eines Wimpernschlags in Tausende von Einzeltröpfchen – die sich sofort wieder auf der Suche nach anderen begeben, mit denen sie sich zusammentun können. Die Oberflächenspannung verhindert übrigens, dass es eckige Wassertropfen gibt: Zwischen den Molekülen bestehen Anziehungskräfte, die sich innerhalb des Tropfens gegenseitig aufheben, an der Oberfläche jedoch nach innen ziehen und die stabilste Form eines Volumens herstellen – die Kugel.

Die Oberflächenspannung ist auch der Grund dafür, dass zu Beginn eines Regenschauers zunächst die dicksten und damit schwersten Tropfen unten ankommen – sie sind am schnellsten und klatschen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 km/h auf den Boden. Bevor es ihn dort zerreißt, versucht der Tropfen ein letztes Mal, seine Form zu wahren: Er breitet sich auf dem Boden pfannkuchenartig aus – dann erst platzt die Hülle, und im Winkel von 45 Grad spritzt das Wasser nach oben. »Splash« nennen Physiker lautmalerisch den Vorgang, bei dem beachtliche Kräfte freigesetzt werden: Bodenpartikel werden bis zu 1,50 Meter weit fortgeschleudert, und es wird eine Druck- und Schallwelle aus­gelöst, die Bodentiere veranlasst, die Erde zu verlassen, bevor das Wasser in ihre Höhlen und Gänge eindringt. Das ist dann der Augenblick, in dem Lauf- und Hühnervögel nur noch abwarten müssen, bis ihre Beute den Kopf aus dem Sand streckt. (Bei allzu langer Trockenheit imitieren sie die Schallwellen des Regens durch Trommeln mit den Füßen, was die Erdbewohner ebenfalls nach oben lockt).

Schwankende Blätter und anderer elastischer Untergrund können den Aufprall der Tropfen zwar abfedern, meist jedoch reißen sie Blütenstände und Blätter ab, die zu Boden fallen und als Düngung dienen. Vor allem in nährstoffarmen Ökosystemen wie dem Regenwald hat diese Form der Nährstoffversorgung eine Schlüsselfunktion. Auch der Sauerstoff- und Kohlenstoffeintrag ist für den Boden lebenswichtig, andere Bestandteile, die der Regen während seines Fluges aufgenommen hat, weniger: Je mehr die Luft durch Staub, Gase, Gifte und Säuren verschmutzt, desto wichtiger ist der Regen zwar für ihre Reinigung, desto größer aber auch sein Schaden für den Boden.

Könnte man die Regentropfen, die pro Jahr weltweit zu Boden fallen, auffangen, stünde die Erdoberfläche einen Meter hoch unter Wasser, wobei die Mehrzahl der Tropfen ins Wasser fällt – 71 Prozent der Erdoberfläche sind von Ozeanen bedeckt. Beim Aufprall eines Regentropfens auf eine Wasserfläche gibt es zwei Töne: Dem dumpfen »Plopp« folgt nach 230 Millisekunden ein helles »Pling«, das von einer kleinen Luftblase verursacht wird, die der Regentropfen mit sich zieht.

Besonders viel regnet es am Äquator, wo durch die intensive Sonneneinstrahlung die Verdunstung am höchsten ist. 4000 Millimeter fallen hier pro Jahr und Quadratmeter, in Deutschland sind es 800 Millimeter; jene 25 Prozent der Erde, die zum Trockengürtel zählen, bekommen nur 25 Millimeter ab – manchmal jahrelang auch gar nichts. Wo immer der Tropfen gefallen ist: Sein Wiederaufstieg ist ihm gewiss, der Kreislauf des Wassers ist schließlich die Basis allen Lebens auf unserem Planeten. Er ist dann zwar nicht mehr derselbe, sondern in seine Moleküle zerlegt und vielfältig neu zusammengesetzt. Außerdem ist er Lebensraum unzähliger Winzlinge, vom Wasserfloh über Rädertierchen und Grünalgen bis zum Augenflagellaten geworden. Selbst wenn er erst nach Tausenden von Jahren verdunstet, als Nebel über dem Boden schwebt und schließlich emporsteigt in die Welt der Wolken, ist nichts verloren: Jeder Tropfen, der zu Boden gefallen ist, wird irgendwann wieder die Welt von oben sehen, der Tanz in den Wolken um die besten Startplätze beginnt von Neuem.