Meteorologie

Ob sie das Wetter des nächsten Tages oder das Klima des nächsten Jahrhunderts vorhersagen: Wolken stellen die Forscher vor große Rätsel. Einige schicken Hagel, andere verdunsten; einige wärmen, andere kühlen die Erde. Jetzt soll ein weltweit einzigartiger Wolkensimulator das Walten der Kräfte am Himmel begreifbar machen.

Schön ist sie nicht, nur schön praktisch«, sagt Professor Jost Heintzenberg. Worüber sich der Nephologe (Wolkenkundler) so freut, hat einen Durchmesser von knapp anderthalb Millimetern und ist sieben Meter hoch: eine künstliche Wolke. Im modernsten Wolkensimulator der Welt, dem »Aerosol Cloud Interaction Simulator« (LACIS) in Leipzig, hat Heintzenberg sie soeben erzeugt. Denn hier geht der Wissenschaftler einer Frage nach, die zwar banal klingt, aber zu den größten Rätsel der Wissenschaft zählt: Was sind Wolken? Wie entstehen sie? Und was machen sie mit unserem Klima? An echten Wolken kann das niemand herausfinden – zu flüchtig ist das Naturschauspiel.

Dass die Wolken irgendwie mit unserem Schicksal zu tun haben, ist der Menschheit schon lange klar, und sie hat es immer wieder in ihren Mythen ausgedrückt. So erscheint in der Bibel, 2. Buch Mose, Gott auf dem Berg Sinai in einer Wolke – und in Gestalt einer Wolkensäule führt er die befreiten Israeliten durch die Wüste. Die islamische Esoterik gar behauptet, Allah habe vor seinem Erscheinen in Form einer Wolke existiert. Und im Buddhismus ist der Gott der Vegetation nicht anderes als eine »Regenwolke«. Ob afrikanische Massai oder australische Aborigines: Immer wenn Menschen zu ihren Gottheiten nach oben blickten, äsahen sie Wolken – und besangen sie in Liedern und Gedichten.

Und irgendwann bemächtigte sich auch die Wissenschaft ihrer. Mit einem einzigen Vortrag veränderte der Londoner Hobby-Meteorologe Luke Howard unser Weltbild. Um sechs Uhr an einem Dezemberabend im Jahre 1802 begann er, sein Referat »Über die Modifikationen der Wolken« zu halten. »Eine Stunde später«, so sein Biograf Richard Hamblyn, »hatte er die Wolken in Typen klassifiziert« – in Zirrus-, Stratus-, Kumulus- und Nimbuswolken. Das war der Start der modernen Meteorologie. Doch 200 Jahre später sind Wolken immer noch »die schwarzen Schafe der Klimaforschung«, räumt Heintzenberg ein. Denn egal, ob es gilt, das Wetter der nächsten Tage oder das Klima des nächsten Jahrhunderts vorhersagen: Wolken sind die größten Unbekannten im irdischen Wettertheater. Dabei haben sie für das Leben auf der Erde grundlegende Funktionen. Ohne Wolken könnten wir überhaupt nicht existieren – ebensowenig wie Pflanzen und Tiere auf dem Lande. Denn Wolken sorgen für zwei fundamental wichtige Systeme: den weltweiten Wasserkreislauf und die Wärmeverteilung auf der Erde.

In Grundzügen immerhin ist klar, wie die Himmels-Gebirge entstehen: Wichtigste Voraussetzung ist genügend feuchte Luft. Wenn Feuchtigkeit aus Meeren, Flüssen, Seen und Wäldern verdunstet, dann steigen die Wassermoleküle mit der Luft als Gas auf, als unsichtbarer Wasserdampf. Ein Kubikmeter Luft kann bei 20 Grad Celsius rund 17 Gramm Dampf aufnehmen. Mit zunehmender Höhe aber sinkt der Luftdruck. Folge: Die feuchte und relativ warme Luft dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab. Je kühler sie wird, desto weniger Wasserdampf kann sie halten und desto mehr Dampf verwandelt sich wieder in sichtbare Tröpfchen: Das unsichtbare Gas kondensiert.

Jeder kann das auch in seiner Küche beobachten: Wenn vom kochenden Wassertopf heißer Dampf aufsteigt und sich abkühlt, bilden sich Tröpfchen am Küchenregal. Die Funktion des Küchenregals übernehmen in der Natur Schwebeteilchen in der Luft – etwa Ruß, Pollen, Staub, Säure oder Salz. Diese wenige millionstel bis tausendstel Millimeter großen »Aerosole« wirken wie Saatkörner für Wolken: An ihnen kondensiert der Wasserdampf – und kann so in Form unzähliger Tropfen wieder zu flüssigem Wasser werden. Ohne die atmosphärischen »Kondensationskeime« würde selbst bei 100 Prozent wasserdampfgesättigter Luft keine Wolke entstehen – sie sind der Kern jedes Regentropfens, jedes Hagelkorns und jeder Schneeflocke.

In welcher Form das Nass aus der Wolke auf die Erde fällt, hängt von vielen Faktoren ab, u. a. von den Turbulenzen, die in jeder Wolke herrschen. Heintzenberg hat diese Konvektionsströmungen bei wissenschaftlichen Flügen durch Wolken erlebt. »Hundertmal schlimmer als Achterbahnfahren ist das!«, sagt er. Angetrieben von den Riesenwirbeln sausen die Tröpfchen wild umher, knallen zusammen, werden größer – sie »koagulieren«, wie Meteorologen sagen. Irgendwann sind die Tropfen so schwer, dass sie der Aufwind nicht mehr in der Wolke halten kann. Dann regnen sie ab. Zum Beispiel aus einer Sommerwolke, deren Tropfen insgesamt rund 200 Tonnen wiegen können – so viel wie 80 Elefanten. In den meisten Wolken verläuft der Prozess allerdings viel komplizierter, u. a. weil in ihrem Inneren Minusgrade herrschen. Die sorgen dafür, dass fast alle Regentropfen, die uns am Boden erreichen, ursprünglich gefroren waren.

Damit Eiskristalle entstehen können, brauchen sie »Kristallisationskeime«. Allerdings scheinen die Tröpfchen beim Gefrieren sehr viel wählerischer als beim Kondensieren zu sein: Sie nutzen von den vorhandenen Partikeln nur äjedes zehntausendste zur Kristallisation. Warum das so ist, weiß kein Forscher. Bekannt ist aber, was dann weiter geschieht, nachdem sich die ersten Kristalle gebildet haben. Beim Gefrieren werden kleine Eisfragmente abgesprengt oder brechen ab – sie dienen anderen Wassertröpfchen als Eiskeime. Und plötzlich wollen alle Tropfen gefrieren – eine Kettenreaktion setzt ein. Bald sind die Kristalle so groß und schwer, dass sie aus der Wolke zu fallen beginnen. Erreichen sie die wärmere Luft, schmelzen sie und gelangen als Regen zur Erde. Auf diese Weise zirkulieren in der Atmosphäre rund 15 Billionen Tonnen Wasser – das 300-fache Volumen des Bodensees! Alle zehn Tage wird die verdunstete Flüssigkeit am Himmel komplett ausgetauscht.

Wolken spielen auch eine entscheidende Rolle für die Wärmeverteilung auf unserem Planeten. Denn Wasserdampf ist – noch weit vor Kohlendioxid – das bedeutendste Treibhausgas. Er reflektiert Wärmestrahlung vom Boden großenteils wieder nach unten: So tragen die Wolken zu etwa zwei Drittel dazu bei, dass die mittlere Temperatur auf der Erde statt bei eisigen Minusgraden bei lebensfreundlichen plus 15 Grad Celsius liegt. Wie das »Schiebedach« am Himmel, das ständig etwa die Hälfte der Erdoberfläche bedeckt, im Detail funktioniert, ist allerdings schwer zu durchschauen. Das Problem liegt auch darin, dass sich stets mehrere gegenläufige Prozesse überlagern: Niedrige Wolken reflektieren zwar viel Sonnenlicht ins All und kühlen so den Planeten – hoch fliegende Schleierwolken dagegen lassen zwar das kurzwellige Sonnenlicht hindurch, strahlen jedoch die langwellige Wärmestrahlung der Erd-oberfläche zurück und heizen so der Erde ein. Welcher Einfluss letztlich maßgeblich für die Temperatur auf unserem Globus ist, das ist schwierig festzustellen.

Erschwert wird das Ganze zusätzlich dadurch, dass niemand weiß, wie viele Aerosole als potenzielle Kondensationskeime gerade durch die Luft schwirren – je mehr Keime, desto mehr Wolkenbildung. Im Prinzip. In der Realität spielen für die Entstehung von Wolken aber auch andere Faktoren eine Rolle. So ziehen einige Aerosole Wassermoleküle mehr an als andere; Meersalz etwa, mit der Gischt in die Luft gelangt, wirkt auf Wasser wie ein Magnet auf Eisenpulver. So hat die Art der Aerosole zwar Einfluss auf die Wolkenbildung – wesentlich wichtiger aber ist die Größe der Partikel, wie Forscher am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz jüngst herausgefunden haben.

Alles dies – Menge, Art und Größe der Aerosole – müsste man kennen, um Computermodelle zu entwickeln, die hieb- und stichfeste Prognosen über die Entstehung von Wolken erlauben. Messgeräte in Ballons, Flugzeugen und auf Bergstationen sammeln zwar Daten – aber sie reichen bei Weitem nicht aus. Und selbst mit den Radarstrahlen neuartiger Satelliten wie etwa CloudSat lässt sich zwar die Menge, aber nicht die Art der Aerosole analysieren. So kann man heute selbst mit den leistungsfähigsten Computern die himmlische Komplexität immer noch nicht befriedigend abbilden. Heintzenbergs Mitarbeiter Frank Stratmann: »Viele wichtige Wolkenvorgänge fallen durch die Gittermaschen der Computermodelle.«

Und deshalb haben sich die Nephologen Nachhilfestunden in Grundlagenforschung verschrieben – abzuleisten im Leipziger Wolkensimulator. Die drei Millionen Euro teure Anlage besteht im Kern aus einem acht Meter langen, dünnen Edelstahlrohr und diversen Messgeräten. In dem Rohr lässt sich beliebig oft ein Wolkenfädchen herstellen – dabei können die Forscher Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie Menge, Art und Größe der Kondensationskeime exakt festlegen. Durch immer neue Versuche mit immer neuen Parametern wollen sie im Lauf der Zeit so viel Wissen über die Wolken zusammentragen, dass Meteorologen und Klimatologen eine Basis für realistische Computermodelle bekommen.

Die Antworten werden nicht nur zu besseren Wettervorhersagen und Klimaprognosen beitragen. Wenn wir wissen, wie sich Wolken bilden, wie sie verändern, wie sie verfallen und sich auflösen – dann haben wir mehr gelernt als nur Meteorologie. »Wenn man die Natur der Wolken erklären kann«, so der Philosoph René Descartes im 17. Jahrhundert, »dann werden die Menschen leicht zu überzeugen sein, dass man alles Wunderbare auf der Welt auf die eine oder andere Weise erklären kann.«