Was passiert am Wolkenrand?

Von der Erde aus betrachtet haben Wolken oft erstaunlich scharfe Ränder. Könnte man sie aber aus der Nähe betrachten, würde man viele weiße Strudel erkennen, die kurz darauf wieder verschwinden. Diese Veränderungen weisen darauf hin, dass sich am Wolkenrand trockene Luft mit Luft vermischt, die kleine Wassertröpfchen enthält.

Einen solchen Mischprozess haben Wissenschaftler der Michigan Technological University, der Universität Mainz und des Max-Planck-Instituts für Chemie sowie des National Center for Atmospheric Research in Boulder (NCAR), USA nun erstmalig mithilfe holografischer Messungen untersucht.

In der neuesten Ausgabe des Magazins Science beschreiben die Forscher diese innovative Methode und ihre ersten Ergebnisse. „ Wir konnten auf der Skala von wenigen Zentimetern nachweisen, dass die Wassertröpfchen an den Wolkenrändern nicht homogen verteilt sind. Vielmehr wechseln sich eng begrenzte Luftstreifen, die mit Tröpfchen gesättigt sind, mit Streifen trockener Luft ab,“ erläutert Jacob Fugal, Physiker am der Universität Mainz und am Max-Planck-Institut für Chemie die Studie. Der 38-jährige entwickelte das Programm mit dem die Hologrammbilder ausgewertet werden und war bei den Forschungsflügen selbst dabei.

Gemeinsam mit Raymond Shaw, Professor für Physik an der Michigan Tech und Kollegen analysierte Fugal die dreidimensionale Verteilung der Wassertropfen am Wolkenrand. Dazu flog das Team im Jahr 2011 mit einem Forschungsflugzeug über den US-amerikanischen Bundesstaaten Wyoming und Colorado durch Cumuluswolken.

Sie wählten solche aus, die keine Eispartikel enthielten, sondern nur aus Wassertröpfchen bestanden. Mit an Bord hatten sie einen holographischen Detektor für Wolken, den sie in Anlehnung an die Star Trek-Enterprise Serie kurz Holodec nennen, und machten damit dreidimensionale Bilder. Das Holodec-Instrument kann mit jedem aufgenommen Bild einige Hundert bis Tausend Wolkentröpfchen dreidimensional erfassen.

Bis dato gab es nur zweidimensionale Aufnahmen, aus denen man die räumliche Verteilung der Tropfen am Rand einer Wolke nicht ableiten konnte. Um jedoch Wolken in Wetter- oder Klimamodellen genau zu beschreiben, muss man auch die Prozesse an ihren Rändern kennen, da die Vermischungsprozesse vermutlich beeinflussen, wie sich eine Wolke verändert, d.h. ob sie beispielweise schrumpft oder wächst – und letztendlich, ob es regnet.

Mehr große Tropfen am Wolkenrand

Neben dem inhomogenen Wolkenrand deckten die Hologrammbilder noch einen weiteren interessanten Effekt auf: Während in der Mitte einer Wolke viele kleine Wassertröpfchen mit wenigen großen gleichmäßig vermischt sind, änderte sich das drastisch in den Streifen an den Wolkenrändern. Dort fanden die Forscher mehr große Tropfen. Dies lässt vermuten, dass bei Vermischung mit trockener Luft die kleinen Tropfen zuerst verdampfen und die großen Tropfen nahezu unverändert zurück bleiben. Damit liefern die Messungen eine mögliche Antwort auf eine zentrale Frage der Wolkenphysik, woher die großen Tropfen kommen.

Auch dieses Ergebnis ist für Wetter- und Klimamodelle relevant. Die Mischungsprozesse beeinflussen beispielsweise, wie viel Sonnenlicht durch eine Wolke in die untere Atmosphäre gelangt und wie viel zurück in das Weltall gestrahlt wird. „Durch die unterschiedliche Aufteilung der Tropfen verändern sich die optischen Eigenschaften der Wolken, so dass sie heller oder dunkler erscheinen und Licht mehr oder weniger reflektieren“, sagt Jacob Fugals Kollege Raymond Shaw.

Fugal findet die Analogie von Jeff Stith, der die Forschungsflugzeuge am NCAR verwaltet, sehr treffend. Dieser vergleicht die Mischungseffekte in der Wolkengrenzschicht mit dem Mischen eines Marmorkuchenteigs. Die feuchte Luft, die mit Tropfen angereichert ist, wäre der schokoladige Kuchenteig, die trockene Luft entspräche dem hellen Teig. Bildlich gesprochen haben Stith, Fugal und Shaw also herausgefunden, wie dünn die Grenzen zwischen dem dunkelbraunen und dem hellen Teig sind, und wie viel hellbrauner Kuchenteig bei dem Mischungsvorgang am Ende herauskommt.

Eine 3-D-Kamera unter dem Flugzeugflügel

Das Holodec-Instrument ist eine knapp ein Meter lange Röhre, die unter der Tragfläche eines militärischen Transportflugzeugs (C130) befestigt wurde. Auf der eine Seite befindet sich eine Kamera, die über einen 15 Zentimeter langen Streifen drei Bilder pro Sekunde von den vorbeifliegenden Tröpfchen schießt.

„Es hat tatsächlich funktioniert. Anschließend mussten wir jedoch noch klären, wie wir die Daten auswerten konnten“, erzählt Shaw mit Blick auf die ersten Jahre, die die Forscher mit der Feinabstimmung des Holodec-Gerätes verbrachten und zunächst herausfinden mussten, wie man die Tröpfchen bildlich richtig darstellt. „Mittlerweile haben wir ein verbessertes Instrument gebaut und die Technik verfeinert. Außerdem sind wir nun endlich in der Lage, die große Menge an Daten zu verarbeiten.“

„Das Entschlüsseln der Daten war nur mit hochauflösenden Graphikkarten möglich, wie sie bei komplexen Computerspielen verwendet werden“, sagt Jacob Fugal rückblickend. Die weitere Verarbeitung der Daten und weitere Messungen werden ihm und dem Forschungsteam nicht nur die detaillierte Visualisierung der Wolkenvermischungen ermöglichen, sondern letztendlich auch helfen, Wetter- und Klimamodelle zu verbessern.

Denn die Marmorkuchen-Verteilung beziehungsweise inhomogene Vermischung, die das Team entdeckte, widerspricht dem, wie die meisten Computermodelle die Auflösung von Wolken beschreiben.

„Es wäre korrekter zu sagen, dass einige Tröpfchen wegerodieren und die Übriggebliebenen einfach so groß sind wie am Anfang“, sagt Shaw, schränkt aber ein, dass Studie auf der Messung mit nur einem einzigen Trockenstreifen in einer wasserhaltigen Cumuluswolke beruht. „Was wäre, wenn wir in den Tropen oder andere Wolkenarten messen würden? Der Verlauf wäre vielleicht anders.“

Für ihn und seine Kollegen wird das Holodec-Instrument sicher auch in der Zukunft einzigartige Einblicke in die mikroskopische Welt der Wolkenvermischung liefern.

Originalpublikation:
Matthew J. Beals, Jacob P. Fugal, Raymond A. Shaw, Jiang Lu, Scott M. Spuler, and Jeffrey L. Smith:
Holographic measurements of inhomogeneous cloud mixing at the centimeter scale
Science, 1 October 2015

Kontakt:
Jacob Fugal, Ph.D.
Max Planck Institut für Chemie
Hahn-Meitner-Weg 1
55128 Mainz
E-mail: jacob.fugal@mpic.de

und

Institut für Physik der Atmosphäre
Johannes Gutenberg Universität Mainz
Johann-Joachim-Becher-Weg 21
55128 Mainz
Telefon: +49 6131 39 25116 (Büro)
+49 6131 39 24374 (Labor)

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