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Wolke

  Eine Cumulonimbus-Wolke schwebt über Swifts Creek, Victoria, Australien   Vergrößern Cumulonimbus capillatus amboss schwebend über Swifts Creek, Victoria in Australien

EIN Wolke ist eine sichtbare Masse von kondensierten Tröpfchen oder gefroren Kristalle schwebend in der Atmosphäre über der Oberfläche der Erde oder ein anderer planetarischer Körper. Die Filiale von Meteorologie in dem Wolken untersucht werden, ist die Nephologie.

Auf der Erde ist die kondensierende Substanz Wasserdampf, der kleine Wassertröpfchen oder bildet Eis Kristalle, typischerweise 0,01 mm im Durchmesser. Wenn sie von Milliarden anderer Tröpfchen oder Kristalle umgeben sind, sind sie als Wolken sichtbar. Dichte tiefe Wolken weisen im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich einen hohen Reflexionsgrad (70 % bis 95 %) auf: Sie erscheinen daher zumindest von oben weiß. Wolkentröpfchen neigen dazu, Licht sehr effizient zu streuen, so dass die Intensität der Sonnenstrahlung mit der Tiefe in die Wolke abnimmt, daher das graue oder manchmal sogar dunkle Erscheinungsbild der Wolken an ihrer Basis. Dünne Wolken scheinen die Farbe ihrer Umgebung oder ihres Hintergrunds angenommen zu haben, und Wolken, die von nichtweißem Licht beleuchtet werden, beispielsweise während des Sonnenaufgangs oder Sonnenuntergangs, können entsprechend gefärbt sein. Im nahen Infrarotbereich würden Wolken jedoch sehr dunkel erscheinen, da das Wasser, aus dem die Wolkentröpfchen bestehen, die Sonnenstrahlung bei diesen Wellenlängen stark absorbiert.

Wolkenbildung und Eigenschaften

  Globales Schema der optischen Wolkendicke   Vergrößern Globales Schema der optischen Wolkendicke

Wolken bilden sich, wenn der unsichtbare Wasserdampf in der Luft kondensiert zu sichtbaren Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Dies kann auf drei Arten geschehen:

1. Die Luft wird unter ihren Sättigungspunkt abgekühlt. Dies geschieht, wenn die Luft mit einer kalten oder durch Strahlung abkühlenden Oberfläche in Kontakt kommt oder die Luft durch adiabatische Ausdehnung (Aufsteigen) abgekühlt wird. Das kann passieren:

  • entlang von Warm- und Kaltfronten (Frontallift)
  • wo Luft die Seite eines Berges hinaufströmt und sich abkühlt, wenn sie höher in die Atmosphäre aufsteigt (orografischer Aufzug)
  • durch Konvektion durch Erwärmung einer Oberfläche durch Sonneneinstrahlung (Tageserwärmung)
  • wenn warme Luft über eine kältere Oberfläche wie ein kühles Gewässer weht.

2. Wolken können entstehen, wenn sich zwei Luftmassen unterhalb des Sättigungspunkts vermischen. Beispiele sind Atem an einem kalten Tag, Kondensstreifen von Flugzeugen und Arktis Meeresrauch.

3. Die Luft behält die gleiche Temperatur, nimmt aber mehr Wasserdampf auf, bis sie den Sättigungspunkt erreicht.

Das Wasser in einer typischen Wolke kann eine Masse von bis zu mehreren Millionen Tonnen haben. Allerdings ist das Volumen einer Wolke entsprechend hoch und die Nettodichte der relativ warmen Luft, die die Tröpfchen hält, gering genug, dass Luftströmungen unter und in der Wolke sie in der Schwebe halten können. Außerdem sind die Bedingungen in einer Wolke nicht statisch: Wassertröpfchen bilden sich ständig und verdampfen wieder. Ein typisches Wolkentröpfchen hat einen Radius in der Größenordnung von 1 x 10 -5 m und eine Endgeschwindigkeit von etwa 1-2 cm/s. Dies gibt diesen Tröpfchen genügend Zeit, um wieder zu verdampfen, wenn sie in die wärmere Luft unter der Wolke fallen.

  Cumulonimbus-Wolke   Vergrößern Cumulonimbus-Wolke

Die meisten Wassertröpfchen entstehen, wenn Wasserdampf um a kondensiert Kondensationskern , ein winziges Partikel aus Rauch, Staub, Asche oder Salz. Unter übersättigten Bedingungen können Wassertröpfchen als Kondensationskeime wirken.

Wassertropfen, die groß genug sind, um auf den Boden zu fallen, werden auf zwei Arten erzeugt. Das wichtigste Mittel ist der von Tor Bergeron theoretisierte Bergeron-Prozess, bei dem unterkühlte Wassertröpfchen und Eiskristalle in einer Wolke interagieren, um das schnelle Wachstum von Eiskristallen zu erzeugen; Diese Kristalle fallen aus der Wolke und schmelzen beim Fallen. Dieser Prozess findet typischerweise in Wolken statt, deren Spitzen kühler als -15 °C sind. Der zweitwichtigste Prozess ist der Kollisions- und Wake-Capture-Prozess, der in Wolken mit wärmeren Gipfeln auftritt, bei dem die Kollision von aufsteigenden und fallenden Wassertröpfchen immer größere Tröpfchen erzeugt, die schließlich schwer genug sind, um Luftströmungen in der Wolke zu überwinden und die Aufwind darunter und fallen als Regen . Wenn ein Tröpfchen durch die kleineren Tröpfchen, die es umgeben, fällt, erzeugt es einen 'Nachlauf', der einige der kleineren Tröpfchen in Kollisionen zieht und den Prozess fortsetzt. Diese Methode der Regentropfenproduktion ist der primäre Mechanismus in niedrigen Schichtwolken und kleinen Kumuluswolken in Passatwinden und tropischen Regionen und erzeugt Regentropfen mit mehreren Millimetern Durchmesser.

  Dieses Wellenwolkenmuster bildete sich vor der Île Amsterdam im äußersten Süden des Indischen Ozeans   Vergrößern Dieses Wellenwolkenmuster bildete sich vor der Île Amsterdam im äußersten Süden Indischer Ozean

Die tatsächlich entstehende Wolkenform hängt von der Stärke des Auftriebs und der Luftstabilität ab. Unter instabilen Bedingungen dominiert die Konvektion und erzeugt vertikal entwickelte Wolken. Stabile Luft erzeugt horizontal homogene Wolken. Frontaler Auftrieb erzeugt je nach Zusammensetzung der Front (Ana-Typ oder Kata-Typ Warm- oder Kaltfront) verschiedene Wolkenformen. Der orografische Auftrieb erzeugt je nach Luftstabilität auch variable Wolkenformen, obwohl Kappenwolken und Wellenwolken spezifisch für orografische Wolken sind.

„Hot Ice“ und „Ice Memory“ in Wolkenbildung

Heißes Eis ist nicht nur der umgangssprachliche Begriff, der manchmal zur Beschreibung von Trockeneis verwendet wird, sondern auch ein überraschendes Phänomen, bei dem Wasser in Eis verwandelt werden kann bei Raumtemperatur durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Größenordnung von 1 Million Volt pro Meter. (Choi 2005). Die Wirkung solcher elektrischer Felder wurde als Erklärung für die Wolkenbildung vorgeschlagen. Diese Theorie ist jedoch sehr umstritten und wird keineswegs als der eigentliche Mechanismus der Wolkenbildung akzeptiert. Das erste Mal, wenn sich Wolkeneis um ein Tonteilchen bildet, ist eine Temperatur von -10 °C erforderlich, aber das anschließende Einfrieren um dasselbe Tonteilchen erfordert eine Temperatur von nur -5 °C, was auf eine Art 'Eisgedächtnis' hindeutet ( Connolly, P.J, et al , 2005).

Cloud-Klassifizierung

  Wolkenklassifizierung nach Auftretenshöhe   Vergrößern Wolkenklassifizierung nach Auftretenshöhe

Wolken werden in zwei allgemeine Kategorien eingeteilt: geschichtet und konvektiv. Diese werden Stratuswolken genannt (oder stratiform, das lateinische Stratus bedeutet Schicht) und Cumulus-Wolken (oder Cumuliform; Kumulus bedeutet aufgehäuft). Diese beiden Wolkentypen werden in vier weitere Gruppen unterteilt, die die Höhe der Wolke unterscheiden. Wolken werden nach der Höhe der Wolkenbasis und nicht nach der Wolkenobergrenze klassifiziert. Dieses System wurde 1802 von Luke Howard in einer Präsentation vor der Askesian Society vorgeschlagen.

Hohe Wolken (Familie A)

Diese bilden sich im Allgemeinen über 5.000 m (16.500 Fuß) in der kalten Region der Troposphäre. In Polarregionen können sie sich jedoch bis zu einer Höhe von 10.000 Fuß (3.048 m) bilden. Sie werden durch das Präfix gekennzeichnet grau oder Zirrus. In dieser Höhe gefriert Wasser fast immer, sodass Wolken aus Eiskristallen bestehen. Die Wolken neigen dazu, dünn zu sein und sind oft transparent.

Zu den Wolken in Familie A gehören:

  • Zirrus (Ci)
  • Zirrushaken
  • Cirrus Kelvin-Helmholtz Kolumbien
  • Cirrostratus (Cs)
  • Zirrokumulus (Cc)
  • Haufen
  • Kondensstreifen, eine lange dünne Wolke, die sich als Ergebnis des Vorbeiflugs eines Flugzeugs in großen Höhen entwickelt.

Mittlere Wolken (Familie B)

  Altocumulus-Makrelenhimmel   Vergrößern Altocumulus-Makrelenhimmel

Diese entwickeln sich zwischen 6.500 und 16.500 Fuß (zwischen 2.000 und 5.000 m) und werden durch das Präfix gekennzeichnet hoch- . Sie bestehen aus Wassertröpfchen und werden häufig unterkühlt.

Zu den Wolken in Familie B gehören:

  • Altostratus (As)
  • Altostratus undulatus
  • Altokumulus (Ac)
  • Altocumulus undulatus
  • Altocumulus-Makrelenhimmel
  • Altocumulus castellanus
  • Altocumulus lenticularis

Niedrige Wolken (Familie C)

  Tiefe Wolken   Vergrößern Tiefe Wolken

Diese befinden sich bis zu 2.000 m (6.500 Fuß) und umfassen den Stratus (dicht und grau). Wenn Stratuswolken den Boden berühren, werden sie als Nebel bezeichnet.

Zu den Wolken in Familie C gehören:

  • Stratus (St)
  • Nimbostratus (Ns)
  • Niedriger Cumulus (Cu)
  • Kumulativer Durchschnitt (Cu)
  • Stratocumulus (Sc)

Vertikale Wolken (Familie D)

  Cumulonimbus-Wolken mit starken Aufwinden   Vergrößern Cumulonimbus-Wolken mit starken Aufwinden

Diese Wolken können starke Aufwärtsströmungen haben, sich weit über ihre Basis erheben und sich in vielen Höhen bilden.

Zu den Wolken in Familie D gehören:

  • Cumulonimbus (verbunden mit starken Niederschlägen und Gewittern) (Cb)
  • Ein Cumulonimbus-Sturm
  • Kahler Cumulonimbus
  • Cumulonimbus mit Mammatus
  • Ein Haufen Haufen
  • Pyrocumulus

Andere Wolken

Über der Troposphäre sind einige Wolken zu finden; Dazu gehören nachtleuchtende und polare Stratosphärenwolken (oder Perlmuttwolken), die in der Mesosphäre bzw. Stratosphäre vorkommen.

Wolkenfelder

Ein Wolkenfeld ist einfach eine Gruppe von Wolken, aber manchmal können Wolkenfelder bestimmte Formen annehmen, die ihre eigenen Eigenschaften haben und speziell klassifiziert sind. Stratocumulus-Wolken sind beispielsweise häufig in folgenden Formen zu finden:

  • Offene Zelle, die einer Wabe ähnelt, mit Wolken an den Rändern und einem klaren, offenen Raum in der Mitte.
  • Geschlossene Zelle, die in der Mitte trüb und an den Rändern klar ist, ähnlich einer gefüllten Wabe.
  • Actinoform, das einem Blatt oder einem Speichenrad ähnelt.

Farben

  Ein Beispiel für verschiedene Wolkenfarben   Vergrößern Ein Beispiel für verschiedene Wolkenfarben  Bunte Wolkenbildung   Vergrößern Bunte Wolkenbildung

Das Farbe einer Wolke sagt viel darüber aus, was in der Wolke vor sich geht.

Wolken entstehen, wenn relativ warme wasserdampfhaltige Luft leichter ist als die umgebende Luft und dadurch aufsteigt. Beim Aufsteigen kühlt es ab und der Dampf kondensiert als Mikrotröpfchen aus der Luft. Diese winzigen Wasserpartikel sind relativ dicht gepackt, und Sonnenlicht kann nicht weit in die Wolke eindringen, bevor es reflektiert wird, was einer Wolke ihre charakteristische weiße Farbe verleiht. Wenn eine Wolke reift, können sich die Tröpfchen verbinden, um größere Tröpfchen zu erzeugen, die sich selbst verbinden können, um Tröpfchen zu bilden, die groß genug sind, um als solche zu fallen Regen . Bei diesem Akkumulationsprozess wird der Raum zwischen den Tröpfchen immer größer, wodurch das Licht viel weiter in die Wolke eindringen kann. Wenn die Wolke ausreichend groß ist und die Tröpfchen darin weit genug voneinander entfernt sind, kann es sein, dass ein Prozentsatz des Lichts, das in die Wolke eintritt, nicht zurückreflektiert wird, bevor es absorbiert wird (denken Sie daran, wie viel weiter man in a sehen kann starker Regen im Gegensatz dazu, wie weit man bei dichtem Nebel sehen kann). Dieser Reflexions-/Absorptionsprozess führt zu der Farbpalette der Wolken von Weiß über Grau bis Schwarz. Aus dem gleichen Grund erscheinen die Unterseiten großer Wolken und starker Bewölkung in verschiedenen Graustufen; wenig Licht wird reflektiert oder zum Betrachter zurückgestrahlt.

Andere Farben kommen natürlicherweise in Wolken vor. Blaugrau ist das Ergebnis der Lichtstreuung innerhalb der Wolke. Im sichtbaren Spektrum liegen Blau und Grün am kurzen Ende der sichtbaren Wellenlängen des Lichts, während Rot und Gelb am langen Ende liegen. Die kurzen Strahlen werden leichter von Wassertröpfchen gestreut und die langen Strahlen werden eher absorbiert. Die bläuliche Farbe ist ein Beweis dafür, dass diese Streuung durch regengroße Tröpfchen in der Wolke erzeugt wird.

Eine bedrohlichere Farbe ist diejenige, die häufig von Unwetterbeobachtern gesehen wird. Eine grünliche Tönung einer Wolke entsteht, wenn Sonnenlicht von Eis gestreut wird. Eine Cumulonimbuswolke, die sich grün zeigt, ist ein ziemlich sicheres Zeichen für bevorstehenden Starkregen, Hagel, Stark Winde und möglich Tornados .

Gelbliche Wolken sind selten, können aber während der Waldbrandsaison in den späten Frühlings- bis frühen Herbstmonaten auftreten. Die gelbe Farbe ist auf das Vorhandensein von Rauch zurückzuführen.

Rote, orangefarbene und rosafarbene Wolken treten fast ausschließlich bei Sonnenaufgang/Sonnenuntergang auf und sind das Ergebnis der Streuung des Sonnenlichts durch die Atmosphäre selbst. Die Wolken selbst haben nicht diese Farbe; sie reflektieren lediglich die langen (und ungestreuten) Sonnenstrahlen, die zu diesen Stunden vorherrschen. Der Effekt ist ähnlich, als würde man ein weißes Blatt mit einem roten Scheinwerfer anstrahlen. In Kombination mit großen, ausgewachsenen Gewitterwolken kann dies blutrote Wolken erzeugen. Am Abend vor dem Tornado in Edmonton, Alberta im Jahr 1987 beobachteten die Einwohner von Edmonton solche Wolken – tiefschwarz auf ihrer dunklen Seite und intensiv rot auf ihrer sonnenzugewandten Seite. In diesem Fall war das Sprichwort „Roter Himmel in der Nacht, Freude des Seemanns“ eindeutig falsch.

Wolken auf anderen Planeten

Innerhalb unserer Sonnensystem , hat jeder Planet mit einer Atmosphäre auch Wolken. Venus ' Wolken bestehen vollständig aus Schwefelsäure Tröpfchen. Mars hat hohe, dünne Wolken aus Wassereis. Beide Jupiter und Saturn haben ein äußeres Wolkendeck, bestehend aus Ammoniak Wolken, ein Zwischendeck aus Ammoniumhydrogensulfidwolken und ein Innendeck aus Wasserwolken. Uranus und Neptun haben Atmosphären, die von Methanwolken dominiert werden.

Der Saturnmond Titan hat Wolken, von denen angenommen wird, dass sie aus Tröpfchen flüssigen Methans bestehen. Das Cassini-Huygens Die Saturn-Mission hat Beweise für einen Flüssigkeitskreislauf auf Titan gefunden, einschließlich Flusskanälen auf der Mondoberfläche.