Die Bildung von Regen aus Wolken ohne Eis ist nach wie vor eine der großen Herausforderungen in der Atmosphärenwissenschaft. In einer aktuellen Studie des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) wurden bisher unbekannte Strukturen in flachen Cumulus-Wolken identifiziert, die für die Entstehung von Niederschlag entscheidend sein könnten. Diese Entdeckungen wurden mithilfe der innovativen CloudKite-Plattform gemacht, die es ermöglicht, die Verteilung mikroskopisch kleiner Wassertröpfchen in Wolken mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung zu untersuchen.
Flache Cumulus-Wolken, die sowohl über Ozeanen als auch über Land verbreitet sind, bestehen ausschließlich aus kleinen flüssigen Wassertropfen und enthalten keine Eiskristalle, die normalerweise als Auslöser für Niederschlag dienen. Trotz ihrer Fähigkeit, in kurzer Zeit Regen zu produzieren, ist die genaue Mechanik der Bildung größerer Regentropfen, die notwendig sind, um schließlich als Niederschlag zu fallen, bislang unklar. Um Regen entstehen zu lassen, müssen kleine Tröpfchen zunächst kollidieren und größere Tropfen bilden. Die Forscher des MPI-DS haben sich in ihrer Studie mit den Bedingungen befasst, unter denen solche Kollisionen stattfinden können.
„Unsere Forschung hat die Struktur einer flachen, warmen Wolke mit hoher räumlicher Auflösung analysiert“, erklärt Mohsen Bagheri, der Gruppenleiter der Studie. „Es ist, als ob man ein 3D-Mikroskop in die Wolken bringt, um die Größe und Verteilung der Partikel zu untersuchen“, fügt er hinzu. Während traditionelle Flugzeugmessungen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit nur wenige Datenpunkte in einem größeren Abstand erfassen können, sind Drohnen in ihrer Flugzeit und in den Einsatzbedingungen eingeschränkt und können zudem Turbulenzen erzeugen, die das Wolkenbild verändern. Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Messplattform mit einem Helikite-Ballon, die eine detaillierte Untersuchung der Wolkenstruktur ermöglicht.
Die CloudKite-Plattform ist mit zwei spezialisierten optischen Bildgebungssystemen ausgestattet, die leistungsstarke Laser und Hochgeschwindigkeitskameras nutzen. Eines dieser Systeme kann die dreidimensionalen Positionen und Größen einzelner Wolkentröpfchen bis zu 75 Mal pro Sekunde rekonstruieren, was es zu einem der schnellsten holografischen Instrumente in der Luft macht. Das andere System ist das erste seiner Art, das Turbulenzen innerhalb von Wolken misst. Beide Instrumente arbeiten autonom und ermöglichen gleichzeitig Messungen der Mikrophysik der Wolken und der Turbulenz auf verschiedenen Skalen.
Die CloudKite-Plattform gleitet mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Metern pro Sekunde durch die Wolken, was deutlich langsamer ist als Forschungsflugzeuge. „Diese langsame Bewegung in Kombination mit der hohen Bildrate des Instruments erlaubt es uns, Messungen im Abstand von nur 12 Zentimetern durchzuführen – etwa 250-mal häufiger als frühere Luftmessungen“, sagt Eberhard Bodenschatz, der Direktor des MPI-DS.
Durch die Daten des CloudKite konnten die Forscher die innere Struktur eines 55 Meter langen Abschnitts einer flachen Cumulus-Wolke rekonstruieren. Sie entdeckten, dass die Tröpfchen in der Wolke nicht gleichmäßig verteilt sind, sondern stark lokalisierte „Hotspots“ bilden, die nur etwa einen Meter Durchmesser haben. In diesen Bereichen sind die Tröpfchen viel dichter gepackt, was die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und somit die Bildung größerer Tropfen erhöht. „Die Ansammlung von Tröpfchen in diesen Hotspots könnte die Schlüsselstellen sein, an denen in flachen Cumuluswolken Regen entsteht“, erklärt Birte Thiede, die Erstautorin der Studie.
Die Ergebnisse dieser Forschung werfen die bisherige Annahme in Zweifel, dass Tröpfchen nur schwach und gleichmäßig verteilt sind. Vielmehr legen sie nahe, dass Wolken eine verborgene innere Struktur besitzen, die bislang unentdeckt war. Das Team plant weitere Untersuchungen, um zu verstehen, wie Turbulenz mit diesen Clustering-Hotspots zusammenhängt. Zukünftige Feldkampagnen mit der CloudKite-Plattform sind in verschiedenen Regionen wie Amazonien, der Ostsee und Nordfinnland vorgesehen.
Warme Wolken spielen eine wesentliche Rolle im globalen Niederschlag, insbesondere in den Tropen, und sind entscheidend für den Energiehaushalt der Erde. Die Fähigkeit dieser Wolken, Sonnenlicht zurück ins All zu reflektieren und ihre Lebensdauer zu verlängern
