Wolken sind auch für Atmosphärenforscher schön anzusehen. Doch die turbulenten Prozesse, die ständig in ihrem Inneren und an den Rändern ablaufen, sind noch lange nicht im Detail verstanden. Der Atmosphärenphysiker Raymond Shaw von der Michigan Technological University erforscht zum Beispiel das Wachsen und Schrumpfen der kleinen Wassertröpfchen, aus denen die Wolken bestehen.
"Wolken sind kein geschlossenes System. Sie werden ständig durchmischt, trockenere Luft aus ihrer Umgebung dringt in sie ein. Und wenn trockene Luft in eine Wolke gelangt, verändert sie deren Eigenschaften, zum Beispiel die Größe der Wassertropfen."
In trockenerer Luft verdunstet ein Teil des Wolkenwassers. In welcher Form dies geschieht, darüber konnten Wolkenforscher bislang nur spekulieren. Es gab im Grunde zwei Theorien.
"Das Wasser kann verdunsten, indem alle Tropfen gleichmäßig schrumpfen. Oder es verdunstet, indem nur einzelne Tropfen sich komplett auflösen, während andere unverändert bestehen bleiben. Was in der Praxis zutrifft, blieb immer unklar, weil die meisten der Messverfahren, die wir bisher zur Erfassung von Wolkenstrukturen genutzt haben, nur Durchschnittswerte über größere Distanzen liefern."
Mit größeren Distanzen meint Raymond Shaw Hunderte von Metern, die ein Forschungsflugzeug durch eine Wolke hindurch fliegen muss, damit beispielsweise ein darauf installierter Wolkentröpfchenzähler brauchbare Messwerte liefert. Ein neues fliegendes Messinstrument, das Raymond Shaw und Kollegen einsetzen, bietet jetzt viel genauere Einblicke. Holodec ist eine holografische Kamera, die mithilfe von Laserstrahlen in Sekundenbruchteilen alle Wolkentröpfchen in einem Luftvolumen von nur 10 Kubikzentimetern dreidimensional erfassen kann.
"Mit dieser holografischen Methode können wir Wolken im Detail studieren wie mit einem Mikroskop. So erhalten wir einen sehr lokalen Einblick in die Vorgänge anstelle eines großräumigen Durchschnitts.
"Man kann sagen, eine Wolke ist voller Löcher"
Die Bilder des Holodec-Instruments machen eines deutlich. Das Mischen von trockener und feuchter Luft am Rand und im Inneren von Wolken geschieht bis in kleinste Dimensionen hinein turbulent und inhomogen. Zonen, in denen gar keine Wassertropfen vorkommen, grenzen direkt an Bereiche, in denen große Tropfen erhalten bleiben. Die Grenzen der Wolken, sowohl nach außen als auch in ihren inneren Strukturen, sind sehr scharf.
"Es ist eine faszinierende Vorstellung, dass diese klaren Grenzen von trockener und feuchter Luft auch im Zentimeterbereich noch existieren. Wenn man detailliert in die Wolken hineinschaut, zeigt sich, wie zerklüftet sie sind. Man kann sagen, eine Wolke ist voller Löcher."
Interessant ist diese Erkenntnis nicht nur aus der Sicht der Grundlagenforschung. Sie könnte auch helfen, Wolken und deren Einfluss in Wetter- und Klimamodellen in Zukunft realistischer abzubilden.
"Die Ergebnisse zeigen uns, wie die Mischungsprozesse in den Wolken in den Modellen näherungsweise erfasst werden sollten. Bisher gehen die meisten Modelle von einem homogenen Prozess aus. Wir müssen aber wohl Wege finden, inhomogenes Mischen zu berücksichtigen."
Die Größe und Verteilung von Wassertröpfchen in Wolken hat unter anderem einen Einfluss darauf, wie schnell die Tröpfchen mit anderen zusammenstoßen, zu größeren Tropfen zusammenwachsen und schließlich als Regen aus den Wolken fallen. Inhomogen durchmischte Wolken könnten teilweise niederschlagsträchtiger sein, als bisher gedacht.
