Der Grundmechanismus
„Wolken entstehen durch Kondensation oder Sublimation des übersättigten Wasserdampfes auf geeigneten Aerosolpartikeln.“ — DWD-Wetterlexikon
Der Wasserdampf braucht dabei nur eine winzige Übersättigung von „maximal 1 %“ und kleine Schwebeteilchen als Ansatzpunkte — die Wolkenkondensationskerne (CCN). Und der Auslöser ist fast immer die Abkühlung aufsteigender Luft: „Der überwiegende Teil der Wolken in der Troposphäre entsteht durch adiabatische Abkühlung.“ Als Ablauf:
- Feuchte Luft steigt auf.
- Sie kühlt sich adiabatisch ab (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung).
- Am Taupunkt ist sie gesättigt — die relative Feuchte erreicht 100 %.
- Der Wasserdampf kondensiert an den Kondensationskernen → die Wolke wird sichtbar.
Mehr zum Sättigungspunkt auf der Seite Taupunkt & Luftfeuchtigkeit.
Adiabatische Abkühlung — und warum sich die Rate am Kondensationsniveau ändert
Steigt Luft auf, dehnt sie sich aus (der Druck sinkt mit der Höhe) und kühlt sich dabei ab, ohne Wärme mit der Umgebung zu tauschen. Solange sie ungesättigt ist, geschieht das trockenadiabatisch; der DWD nennt einen Gradienten von „−0,98 K pro 100 m“ — rund 1 °C je 100 Meter.
Ab dem Kondensationsniveau wird beim Kondensieren Wärme frei (Kondensationswärme), die die Abkühlung dämpft. Oberhalb steigt die Luft deshalb feuchtadiabatisch auf — laut DWD in Mitteleuropa im Mittel „−0,5 bis −0,7 K pro 100 Meter“. Die feuchte Luft kühlt also langsamer ab als die trockene:
Das Kondensationsniveau (HKN)
Die Höhe, in der die aufsteigende Luft gesättigt ist und die Wolke beginnt, heißt Hebungskondensationsniveau (HKN) — bei erzwungener Hebung die (oft flache) Wolkenuntergrenze. Der DWD: an diesem Punkt ist „die Luft … soweit abgekühlt, dass sie maximal noch so viel Wasserdampf halten kann, wie sie zu Beginn bereits in sich trug“.
Der Wolkenbasis-Rechner schätzt dieses Niveau für die Luft am Boden: aus Temperatur und Taupunkt, rund 125 m je Grad Abstand, als Spanne. Ist die Luft an einem sonnigen Nachmittag vom Boden bis zur Wolke durchmischt, beginnen dort die Quellwolken. Bei erzwungener Hebung an Fronten oder Bergen wird dagegen oft andere Luft gehoben — dafür gilt die Rechnung nicht.
Was die Luft zum Aufsteigen bringt
Damit überhaupt Wolken entstehen, muss Luft gehoben werden. Der DWD nennt diese Vorgänge (jeweils mit der Wolkenart, die dabei entsteht):
- Konvektion — Erwärmung am Boden lässt Luftblasen aufsteigen → Konvektionswolken (Quellwolken).
- Orografische Hebung — Luft staut sich an der Luvseite von Bergen → Staubewölkung.
- Aufgleiten — langsame, großräumige Hebung, etwa an Warmfronten → Aufgleitbewölkung.
- Turbulenz — in der Grenzschicht, an Inversionen, im Strahlstrombereich → Turbulenzwolken.
- Atmosphärische Wellen — Leewellen hinter Bergen, Wellen an Inversionen → Wellenwolken.
Aufzählung wörtlich nach dem DWD-Wetterlexikon-Eintrag „Wolkenbildung“. Welche Form die Wolke dann annimmt, hängt vom Stockwerk und der Luftschichtung ab — siehe Wolken.
Die beiden letzten Punkte sieht man am Himmel eher selten, spürt sie aber im Flugzeug: Hinter Gebirgen stehen an den Wellenbergen glatte, linsenförmige Wolken (Lenticularis), und an Scherungsschichten rollen sich manchmal Wolkenbänder wie brechende Brandung ein. Was diese Wellen und Wirbel für Flugzeuge bedeuten und warum es trotzdem kein „Luftloch“ gibt, steht auf Turbulenz im Flugzeug.
Quellen
Alle Angaben aus dem Deutschen Wetterdienst (Wetterlexikon und „Thema des Tages“), ergänzend WMO:
Wolkenbildung (Prinzip, Hebungsmechanismen) · Adiabatische Zustandsänderung (Gradienten) · Taupunkt · Hebungskondensationsniveau (HKN) · WMO International Cloud Atlas
Verwandt: Wolken (Gattungen) · Taupunkt & Luftfeuchtigkeit · Niederschlagsarten.