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Wetterphänomene Regentropfen, die an mein Fenster klopfen ...

... die sagen mir: Ich brauche einen Regenschirm. Doch, wie und wo bilden sich die Tropfen? Welche Art von Niederschlägen gibt es und wie wird Regen gemessen? Viele Fragen – hier gibt's die Antworten.

Stand: 06.02.2013

Wieskirche bei Steingaden im Regen | Bild: picture-alliance/dpa

Trotz immer ausgeklügelter Messtechnik, trotz Wettersatelliten und ständiger Aufzeichnung von Wetterdaten: Ein Regenguss ist nicht immer vorhersagbar und kann uns unangenehm überraschen. Denn noch immer haben Meteorologen Schwierigkeiten, Niederschläge genau zu berechnen.

Unbekannte Prozesse und Datenberge erschweren Prognosen

Um Regen eindeutig vorhersagen zu können, müsste relativ kleinräumig und noch genauer gemessen und gerechnet werden. Allerdings sind die Rechner noch nicht schnell genug um die enorem Datenmenge entsprechend zu verarbeiten. Zudem sind die Prozesse, die in den Wolken ablaufen, noch nicht vollkommen entschlüsselt. Auch welche Parameter in den Wolken dazu führen, dass sich Tropfen bilden und nach welchen Kriterien sie sich verteilen, muss noch erforscht werden.

Mischwolken mischen beim Regen mit

Regen entsteht hauptsächlich in Mischwolken. Das sind all die Wolken, die sich in einem Temperaturbereich zwischen -10° und -35° Celsius bilden. Wolkengattungen, die üblicherweise Dauerregen bringen, sind Nimbostratus und die grau-bläulichen Wolkenfelder der Altostratus. Regenschauer ergießen sich aus mächtigen Cumulus congestus und Cumulonimbuswolken.

Niederschlagsarten

Niederschlag

Von Niederschlägen sprechen Meteorologen bei jeder Form von Wasser, egal ob flüssig (Regen) oder fest (Schnee), die aus der Atmosphäre kommt und auf dem Erdboden beobachtet und gemessen werden kann. Unterschieden wird dabei zwischen:


- fallenden Niederschlägen wie Schnee und
- aufgewirbelten wie Schneetreiben oder
- abgelagerten wie Schneedecken.
Fallende Niederschläge sind alle, die aus Wasser sind und aus Wolken stammen.

Regen

Tropfen, die einen Durchmesser von 0,5 Millimetern oder mehr haben, bezeichnet man als Regen. Er entsteht in Mischwolken, die sich zwischen -10° Celsius und -35° Celsius bilden. So bringen Nimbostratus- oder Altostratuswolken üblicherweise Dauerregen, bei Cumulus congestus oder Comulunimbus gibt es Regenschauer. Je nach Entstehung, Dauer und Wirkung wird zwischen verschiedenen Arten von Regen unterschieden: Sprühregen, Regen, Dauerregen und so weiter.

Niesel- oder Sprühregen

Gleichförmig, fein, dicht und flüssig - das sind die Eigenschaften von Niesel- oder Sprühregen. Seine Tropfen sind kleiner als bei "normalem" Regen: Sie haben einen Durchmesser der kleiner ist als 0,5 Millimeter.
Sprühregen entspringt den Stratuswolken und entwickelt sich auch bei Nebel. Und wie Nebel sorgt auch der feine Regen für eine eingeschränkte Sichtweite.

Schnee

Schneeflocken auf dem Ast

Schnee besteht aus verzweigten Eiskristallen, die alle einzigartig sind und normalerweise die Form von sechseckigen Plättchen, Säulen oder Sternchen haben. Welche Form entsteht, hängt von der Temperatur und vom Sättigungsgrad des Wasserdampfes in der Wolke ab. Schnee fällt normalerweise aus Nimbostratuswolken, aus Altostratus und Stratocumulus. Cumlonimbus-Wolken bringen Schneeschauer.
Bei Temperaturen um 0° Celsius fallen große, lockere Flocken aus zusammengeketteten Kristallen. Wird es kälter bilden sich Schneesternchen, Eisplättchen oder Eisnadeln.

Graupel

Als Graupel bezeichnet man einen festen Niederschlag aus kleinen, unregelmäßig geformten, gefrorenen Körnchen. Sie haben einen Durchmesser von zwei bis fünf Millimeter - sind sie größer, werden sie dem Hagel zugerechnet.
Graupel entsteht aus Eis- und Schneekristallen, beziehungsweise Schneeflocken, die in Aufwindzonen mit angefrorenen Regentropfen zu Körnchen verklumpen. Graupel entsteht in Cumulonimbuswolken.

Hagel

Beihnahe so groß wie ein Golfball. Hagelkörner, die im Juni 2012 in Baden-Württemberg zu bestaunen waren.

Setzt sich immer mehr gefrierendes Wasser an Graupelkörner ab, sodass sie einen Durchmesser von mindestens fünf Millimetern erreichen, werden sie zu Hagelkörnern gezählt. Damit sich Hagel bilden kann, sind in den Cumulonimbuswolken starke Auf- und Abwinde nötig. Durch diese werden unterkühltes Wasser und Eiskristalle durcheinander gewirbelt. Stoßen sie zusammen, verklumpen sie und lagern immer mehr Wasser und Eiskristalle an. So haben Hagelkörner auch verschieden gefrorene Schichten und fallen schließlich als Hagel aus den Wolken.

Wie Regen entsteht

Wolken und Regen können nur dank der Sonne entstehen, denn sie erwärmt die Erdoberfläche und lässt Wasser verdunsten. Die warme Luft und gasförmiger Wasserdampf steigen auf. Dabei kühlt sich die Luft wieder ab. In ihr schweben mikroskopisch kleine Partikel, die Aerosole. Zu ihnen zählen Pollen, Meersalzkerne, Sporen, vulkanische Asche oder Schwefeldioxid. Neben diesen natürlichen Schwebeteilchen gibt es auch die von Menschen gemachten wie Ruß- oder Staubpartikel, Rauch, Asche oder Kfz- und Industrieabgase, die sich ebenfalls in der Luft verteilen.

Wolken- und Tröpfchenbildung

Je mehr die Luft in der Höhe abkühlt, desto weniger Wasserdampfmoleküle kann sie halten – es entstehen Wolken. An den Aerosolpartikeln kondensiert überschüssiger Wasserdampf zu feinsten Tröpfchen. Diese sind so leicht, dass sie von der Luft gehalten werden. Beim Kondensieren gibt der Wasserdampf Energie ab und zwar genau so viel, wie die Sonne benötigt hat, um das Wasser zu verdunsten. Dadurch heizt sich die Luft wieder etwas auf und steigt weiter nach oben. Unzählige Wolkentröpfchen stoßen zufällig aneinander und verbinden sich. Damit aus diesen Wolkentröpfchen tatsächlich Regentropfen werden, müssen sie ungefähr die Größe von einem Millimeter erreichen.

Methoden Regen zu messen

Ombrometer

Regenmesser, auch Ombrometer genannt, zeichnen die Regenmenge auf, die in einem bestimmten Zeitraum an einem Ort gefallen ist. In Deutschland verwenden Meteorologen neben dem Niederschlagsradar und den Daten der Wettersatelliten "Niederschlagsmesser nach Hellmann" oder digitale Messgeräte wie Kipplöffel oder Kippwaagen.

Niederschlagsmessung nach Hellmann

Der Niederschlagsmesser nach Hellmann besteht aus Edelstahl oder Zinkblech. Die Auffangfläche ist auf 200 cm² genormt. Durch einen Trichter läuft die Flüssigkeit in eine Sammelkanne im unteren Teil des Niederschlagsmessers, wo das Wasser vor Verdunstung geschützt ist. Zur Messung wird das gesammelte Wasser in einen Messzylinder gefüllt.

Digitale Messmethode

Bei der digitalen Methode füllt sich eine genormte Schale so lange mit Niederschlag, bis ein bestimmtes Gewicht erreicht ist. Dann kippt sie und entleert sich. Aus der Anzahl der Kippbewegungen berechnet sich die Niederschlagsmenge.

Fehlende Messstationen

Die Niederschlagsmengen sind wichtige Daten für den Wetterbericht, die Klimaforschung, die Vorhersage von Hochwasser und die Planung in der Landwirtschaft. Allerdings gibt es Länder, in denen die Messstationen fehlen. Auch bei uns gibt es Lücken im Messnetz. Um diese zu schließen, könnte man laut einer niederländischen Studie das Mobilfunknetz nutzen.

Abschwächungseffekt nutzen

Im Mobilfunknetz werden die Handysignale durch elektromagnetische Wellen der Frequenzen zwischen 13 und 40 Gigahertz übertragen. Treffen diese Wellen auf ihrem Weg vom Funkmast zum Handy und zurück auf Regentropfen, sinkt die Übertragungsqualität. Die Tropfen absorbieren einen Teil der Wellen und streuen zusätzlich einen Teil der Energie. Je dichter der Niederschlag, desto stärker ist auch dieser Abschwächungseffekt. Da die Betreiber ständig die Übertragungsqualität ihrer Netze überwachen, lassen sich Schwankungen leicht messen und daraus die Niederschlagsmenge berechnen.

Versuch in den Niederlanden

Die Forscher um Aart Overeem von der Universität Wageningen haben anhand der Signalstärke-Daten von drei großen Mobilfunkanbietern animierte Niederschlagskarten für die Niederlande erstellt. Sie werteten die Daten von zwei Wochen aus und verwandelten die Ergebnisse in Karten für jeweils 24 Stunden. Beim Vergleich mit Karten aus Radar- und Wettersatellitendaten fielen nur kleinere lokale Unterschiede auf. Das Fazit der Forscher: Man könnte das Mobilfunknetz überall dort als Niederschlagsmesser einsetzen, wo es kein übliches Regenmessnetz gibt.

Ob es regnet, schneit oder graupelt, hängt von der vorherrschenden Temperatur ab. Sie bestimmt auch, ob der gefallene Regen kondensiert und zu Tau oder Nebel wird. Meteorologen unterscheiden fallenden (Regen, Schnee, Graupel, Hagel) und abgesetzten (Tau, Reif) Niederschlag.

Ist es Tau, Nebel oder Reif?

Tau

Morgentau in einem Spinnennetz

Das Fenster am Morgen ist beschlagen, auf den Blumen liegt Morgentau, ein abgesetzter Niederschlag. Er tritt auf, wenn die Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts liegen, daher ist er flüssig.

Die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, nennt man Taupunkt. Tau entsteht, wenn sich Pflanzen, Bäume oder Autos meist so weit abkühlen, dass sie den Taupunkt der Luft, die sie umgibt, unterschreiten. Die abgekühlte Luft kann den Wasserdampf nicht mehr halten, daher bilden sich an den Gegenständen kleine Tropfen. Das passiert vor allem morgens.

Übrigens ist der Taupunkt ein wichtiger Indikator für die Vorhersage von Nebel, Dunst oder Wolken. Da die Temperatur mit der Höhe abnimmt, kann man durch die Differenz zwischen Taupunkt und Außentemperatur bestimmen in welcher Höhe der Wasserdampf kondensiert und sich Wolken bilden.

Reif

Reif besteht aus Eiskristallen, die dadurch entstehen, dass der Wasserdampf in der Luft direkt in Eis übergeht. Diesen Vorgang, wenn eine Substanz von einem gasförmigen Zustand in einen festen übergeht, nennt man Resublimation. Reif tritt also bei Temperaturen unter 0° Celsius und in fester (Eiskristalle) Form auf.

Dabei werden zwei Arten von Reif unterschieden: der Strahlungsreif und der Advektionsreif.
Strahlungsreif entsteht, wenn nachts bei wolkenlosem oder wolkenarmen Himmel die Temperatur an Oberflächen in Bodennähe oder am Boden unter den Gefrierpunkt absinkt. Dabei bilden sich Eisablagerungen in Form von Schuppen, Nadeln oder Federn.
Advektionsreif entsteht, wenn wärmere, feuchte Luft an meist senkrechten Flächen vorbeistreicht, die unter den Gefrierpunkt abgekühlt sind. Advektionsreif bildet sich überwiegend bei hoher Luftfeuchte, jedoch nicht bei Nebel.

Nebel

Mikroskopisch kleine Wassertröpfchen, die in der Luft schweben, verringern die Sicht - es herrscht Nebel. Der besteht aus kondensiertem Wasserdampf in Bodennähe. Normalerweise spricht man von Nebel, wenn die Sichtweite in Bodennähe geringer ist als ein Kilometer. Dabei herrscht eine relative Luftfeuchte von fast hundert Prozent.

Nebel kann sich unter folgenden Bedingungen bilden:
- bei Abkühlung unter den Taupunkt,
- bei Zunahme des Wasserdampfes durch Verdunstung und
- bei Mischung von feuchtwarmer mit kalter Luft.
Auch eine Kombination dieser Prozesse ist möglich.

Raureif

Filigrane, leicht zerbrechliche Eisnadeln, die durch Resublimation entstanden Es liegt Raureif auf dem Land. Er ist eine Form von abgelagertem Nebelfrost. Damit sich Raureif bildet, muss die Luftfeuchte um 90 Prozent oder höher sein, es muss ein schwacher Wind wehen und die Temrperatur unter -8° Celsius liegen. Früher wurde Raureif auch als Raufrost bezeichnet, so der Deutsche Wetterdienst (DWD).

Wie entsteht so blitzartig Blitzeis?

Plötzlich glatt

Sie stehen an einem Wintertag morgens auf und schauen auf Ihr Thermometer: Die Temperatur liegt um den Gefrierpunkt – kein Problem, wenn es bisher trocken war und kein Schnee liegt.
Gefährlich kann es werden, wenn es zu regnen beginnt – dann kann es richtig glatt werden. Zwar sollte man meinen, dass es auch bei diesen Temperaturen schneien müsste. Doch bei bestimmten Bedingungen bleibt der Regen auch unter 0 Grad Celsius Regen. Dieser sogenannte "Supercooling-Effekt" macht das Blitzeis erst möglich.

Voraussetzung

Voraussetzung für Blitzeis ist, dass die Temperaturen am Boden unter 0 Grad Celsius liegen, während sich darüber eine wärmere Luftschicht bewegt, in der sich Regen oder auch Nebel gebildet hat.

Unterkühltes Wasser

Wasser muss auch dann nicht gefrieren, wenn es in der höheren Luftschicht Temperaturen um den eigentlichen Gefrierpunkt gibt. Dieses Phänomen wird "Supercooling" oder "Unterkühlen" genannt. Es tritt dann ein, wenn Kristallisationskeime wie Staubpartikel oder Moleküle fehlen, an denen sich Wassermoleküle zu einem Eiskristallgitter anordnen.
Dann kann Wasser auch unter dem eigentlichen Gefrierpunkt flüssig bleiben.

Medienerfindung

Diese unterkühlten Regentropfen gefrieren schlagartig, sobald sie auf den eiskalten Boden treffen. Der Boden wird blitzartig mit einer spiegelglatten, gleichmäßigen, dünnen Eisschicht überzogen.

Übrigens: Die Bezeichnung Blitzeis ist eine Wortschöpfung der Medien, die sich erst in den 1990er-Jahren durchgesetzt hat. Vorher wurde von "gefrierendem Regen" gesprochen. Meteorologen sprechen von Glatteis.

Ein besonderes Himmelsspektakel: Der Regenbogen

Ein besonders faszinierendes optisches Phänomen, das uns der Regen bringt: der Regenbogen. Nur wenn wir die Sonne im Rücken und die regnende Wolke im Blick haben, können wir ihn überhaupt sehen. Trifft das Licht der Sonne einen Regentropfen, wird es reflektiert, gebrochen und in sein Farbspektrum zerlegt. Es fällt in einem 42 Grad Winkel auf den Betrachter. Dieser Winkel und der Abstand zu den Regentropfen bleiben immer gleich - und der Betrachter sieht den farbigen Bogen.


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