Wolken & optische Phänomene

Wie Wolken entstehen

Luft enthält immer etwas Wasser — als unsichtbaren Wasserdampf. Wie viel Dampf die Luft höchstens fassen kann, hängt an ihrer Temperatur: Warme Luft kann viel Feuchte halten, kalte Luft nur wenig. Eine Wolke entsteht, wenn Luft so weit abkühlt, dass ihr Dampf nicht mehr unsichtbar bleiben kann.

Der häufigste Weg dorthin ist aufsteigende Luft. Steigt ein Luftpaket auf — weil es am Boden erwärmt wurde, an einem Gebirge hochgezwungen oder an einer Front angehoben wird —, dehnt es sich in der dünneren Höhenluft aus und kühlt dabei ab. Sinkt die Temperatur bis auf den Taupunkt, ist die Luft gesättigt: Der Wasserdampf kondensiert an winzigen Schwebeteilchen zu unzähligen kleinen Wassertröpfchen (oder, weiter oben, zu Eiskristallen). Diese Tröpfchen zusammen sind die Wolke. Die Höhe, in der das passiert, ist die Wolkenuntergrenze.

Für Quellwolken lässt sich diese Höhe grob ausrechnen: etwa 125 m je Grad Abstand zwischen Temperatur und Taupunkt am Boden. Das übernimmt der Wolkenbasis-Rechner — mit Spanne, offenem Rechenweg und den Wetterlagen, in denen die Faustregel nicht gilt.

Deshalb stehen an schwülen Sommertagen über erhitzten Flächen Quellwolken, während ein absinkendes Hoch den Himmel räumt: absinkende Luft erwärmt sich und löst Wolken auf. Die Begriffe Taupunkt, Kondensation und Sättigung stehen kurz erklärt im Glossar; wie aus diesem Aufsteigen eine ganze Vorhersage wird, zeigt die Seite Wie eine Vorhersage entsteht.

Die zehn Wolkengattungen und die drei Stockwerke

Wolken sehen unendlich verschieden aus, aber die internationale Klassifikation (festgelegt im Internationalen Wolkenatlas der Weltorganisation für Meteorologie, WMO) ordnet sie in genau zehn Gattungen. Ihre lateinischen Namen setzen sich aus wenigen Bausteinen zusammen: Cirrus (Faser, Feder) für hohe Eiswolken, Cumulus (Haufen) für Quellwolken, Stratus (Schicht) für flächige Bewölkung, Nimbus (Regen) für Niederschlagswolken und Alto- (hoch) für die mittlere Etage.

Nach der Höhe ihrer Untergrenze teilt man die Gattungen in drei Stockwerke (Etagen). Die Höhen überlappen und verschieben sich mit der geografischen Breite — in den Tropen reichen Wolken höher als an den Polen. Die Zahlen unten sind die Größenordnung für die gemäßigten Breiten (also für Mitteleuropa) nach dem WMO-Wolkenatlas; sie sind Richtwerte, keine scharfen Grenzen.

• Hohe Wolken Untergrenze etwa 5 bis 13 km (gemäßigte Breiten)

  Cirrus (Ci) · Cirrocumulus (Cc) · Cirrostratus (Cs)

  Feine, faserige Eiswolken. Cirrus sind die einzelnen Federwolken, Cirrocumulus das feinkörnige „Schäfchen“-Muster, Cirrostratus ein dünner, milchiger Schleier, der die Sonne noch durchscheinen lässt — in ihm entsteht der Halo (weiter unten). Weil sie aus Eiskristallen bestehen, sind sie oft die ersten Boten einer heranziehenden Warmfront.

• Mittelhohe Wolken Untergrenze etwa 2 bis 7 km (gemäßigte Breiten)

  Altocumulus (Ac) · Altostratus (As) · Nimbostratus (Ns)

  Altocumulus sind gröbere Schäfchen- oder Schollenfelder, Altostratus eine graue, gleichmäßige Schicht, durch die die Sonne nur noch matt „wie durch Milchglas“ schimmert. Nimbostratus ist die dichte, dunkle Regen- und Schneewolke des Landregens; sie gehört zur mittleren Etage, reicht aber oft tiefer herab und über mehrere Stockwerke — ein Sonderfall, der sich keiner scharfen Höhe zuordnen lässt.

• Tiefe Wolken Untergrenze vom Boden bis etwa 2 km

  Stratocumulus (Sc) · Stratus (St) · Cumulus (Cu) · Cumulonimbus (Cb)

  Stratus ist die tiefe, gleichförmige Schicht — am Boden aufliegend ist sie nichts anderes als Nebel. Stratocumulus ist die häufige gegliederte Wolkendecke aus Schollen und Ballen. Cumulus sind die typischen Schönwetter-Quellwolken. Cumulonimbus ist die Gewitterwolke: Ihre Basis liegt tief, doch sie wächst als einzige durch alle Stockwerke bis zur Höhe der Cirren hinauf.

Optische Phänomene am Himmel

Dieselben Wassertröpfchen und Eiskristalle, aus denen Wolken bestehen, lenken das Sonnen- und Mondlicht ab — und erzeugen dabei die schönsten Erscheinungen am Himmel. Dahinter stecken drei physikalische Vorgänge: Brechung (das Licht wird beim Übergang in Wasser oder Eis abgelenkt), Reflexion (es wird zurückgeworfen) und Beugung (es wird an winzigen Teilchen umgelenkt).

• Regenbogen

  Ein Regenbogen entsteht, wenn die Sonne im Rücken steht und vor einem eine Regenwand hängt. In jedem Tropfen wird das Licht beim Eintritt gebrochen, an der Rückseite einmal reflektiert und beim Austritt noch einmal gebrochen. Weil die Brechung die Farben unterschiedlich stark ablenkt, wird das weiße Licht in seine Farben zerlegt.

  Der Hauptregenbogen erscheint als Kreisbogen um den Gegenpunkt der Sonne (den Punkt genau gegenüber der Sonne, beim eigenen Schatten des Kopfes). Rot liegt außen bei rund 42°, Violett innen bei etwa 40°. Manchmal zeigt sich außerhalb ein blasserer Nebenregenbogen bei etwa 50 bis 54° — durch eine zweite Reflexion im Tropfen mit umgekehrter Farbfolge.

  Winkel geprüft: Hauptbogen rund 40° (violett) bis 42° (rot), Nebenbogen 50–54° — DWD-Wetterlexikon, Eintrag „Regenbogen“.

• Halo — der Ring um Sonne oder Mond

  Ein Halo ist ein heller Ring um Sonne oder Mond. Er entsteht nicht an Wassertropfen, sondern an den sechseckigen Eiskristallen hoher Cirrostratus-Wolken (in rund 8 bis 12 km Höhe). Das Licht tritt in so ein Prisma ein und wieder aus und wird dabei um einen festen Winkel abgelenkt.

  Aus der sechseckigen Form und der Brechzahl von Eis (etwa 1,31) ergibt sich, dass sich das Licht bevorzugt um 22° ablenkt — daher der weitverbreitete 22°-Ring („kleiner Halo“) mit scharfem Innenrand. Ein Halo in aufziehendem Cirrostratus gilt wie die Cirren selbst als möglicher Vorbote einer Warmfront.

  Winkel geprüft: 22°-Halo aus hexagonalen Eiskristallen (Brechzahl Eis ≈ 1,31); Cirrus/Cirrostratus in 8–12 km — DWD-Wetterlexikon „Halo-Erscheinungen“ und Spektrum/wissenschaftliche Darstellung.

• Nebensonnen

  Neben dem Ring erscheinen manchmal zwei helle, oft farbige Flecken links und rechts der Sonne — die Nebensonnen. Sie entstehen, wenn plättchenförmige Eiskristalle waagerecht schweben und das Licht seitlich um etwa 22° ablenken, auf gleicher Höhe wie die Sonne. Steht die Sonne tief, liegen sie auf dem 22°-Ring, bei höherer Sonne etwas außerhalb.

• Kranz (Korona)

  Ein Kranz oder eine Korona ist ein kleiner, farbiger Hof direkt um Sonne oder Mond, wenn eine dünne Wolke aus feinen Wassertröpfchen davorzieht. Anders als der Halo beruht er nicht auf Brechung, sondern auf Beugung des Lichts an den Tröpfchen. Sein Durchmesser ist meist deutlich kleiner als der 22°-Ring; je gleichmäßiger und kleiner die Tröpfchen, desto größer und farbiger der Kranz. Am einfachsten ist er am Mond zu sehen.

• Dämmerungsfarben

  Dass der Himmel blau ist und Sonnenauf- und -untergang rot glühen, liegt an der Streuung des Sonnenlichts an den Luftmolekülen: kurzwelliges blaues Licht wird viel stärker in alle Richtungen gestreut als langwelliges rotes. Steht die Sonne tief, läuft ihr Licht einen langen, schrägen Weg durch die Atmosphäre; das Blau wird unterwegs weggestreut, übrig bleiben die roten und orangen Töne. Feine Wolken fängt dieses tiefe Licht ein und leuchtet farbig — die eigentliche Bühne der Abendfarben.