Wolkentröpfchen sind in flachen Cumulus-Wolken offenbar deutlich ungleichmäßiger verteilt als bislang angenommen. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) haben Bereiche von weniger als einem Meter nachgewiesen, in denen sich die Tröpfchen lokal konzentrieren. Die veröffentlichten Ergebnisse liefern neue Hinweise darauf, wie Regen in Wolken ohne Eiskristalle entstehen kann.

Wolkentröpfchen geben Einblick in die Entstehung von Regen

Flache Wolken kommen sowohl über Ozeanen als auch über Land vor. Insbesondere flache Cumulus-Wolken können ausschließlich aus kleinen flüssigen Wassertropfen bestehen. Eiskristalle, die als Keime für die Niederschlagsbildung dienen könnten, fehlen dort. Dennoch können diese Wolken innerhalb weniger Minuten Regen erzeugen.

Damit Niederschlag entsteht, müssen kleine Tröpfchen miteinander kollidieren und größere Tropfen bilden, die schließlich zu Boden fallen. Wie die dafür notwendigen ersten Kollisionen zustande kommen, ist eine bislang nicht abschließend geklärte Frage der Atmosphärenwissenschaft.

„Wir haben die Struktur einer flachen, warmen Wolke mit hoher räumlicher Auflösung untersucht“, sagt Mohsen Bagheri, Gruppenleiter am MPI-DS und einer der Leiter der Studie. „Es ist wie ein 3D-Mikroskop in den Wolken zu nutzen, das Partikelgröße und -verteilung untersucht“, fährt er fort.

CloudKite untersucht Wolken mit hoher räumlicher Auflösung

Flache Wolken weisen Bereiche mit hoher Partikelkonzentration auf, die möglicherweise der Schlüssel zur Regenbildung sind. (Quelle: MPI)

Für ihre Untersuchungen entwickelten Forschende des MPI-DS um Mohsen Bagheri und Institutsdirektor Eberhard Bodenschatz die Messplattform CloudKite. Grundlage ist ein Helikite-Ballon, der die Messinstrumente mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Metern pro Sekunde durch die Wolken bewegt. Damit ist die Plattform deutlich langsamer als Forschungsflugzeuge.

Das Observatorium verfügt über zwei speziell entwickelte optische Bildgebungssysteme mit Lasern und Hochgeschwindigkeitskameras. Eines der Systeme kann die dreidimensionalen Positionen und Größen einzelner Wolkentröpfchen 75-mal pro Sekunde rekonstruieren. Das zweite System erfasst die Turbulenz innerhalb der Wolken mittels Partikelbild-Velozimetrie.

Beide Instrumente arbeiten autonom und ermöglichen die gleichzeitige Untersuchung von Wolkenmikrophysik und Turbulenz über unterschiedliche räumliche Skalen.

„Zusammen mit der hohen Bildaufnahmerate des Instruments ermöglicht dies Messungen im Abstand von 12 Zentimetern – etwa 250-mal häufiger als bei früheren Beobachtungen aus der Luft“, sagt Eberhard Bodenschatz. „Der CloudKite eröffnet somit ein gänzlich neues Beobachtungsfenster in die Wolken“, fasst er zusammen.

Lokales Clustering der Wolkentröpfchen

Mit den CloudKite-Daten rekonstruierten die Forschenden die innere Struktur eines 55 Meter langen Abschnitts einer flachen Cumulus-Wolke. Dabei zeigte sich, dass die Tröpfchen nicht gleichmäßig verteilt waren. Stattdessen identifizierte das Team stark lokalisierte Bereiche mit einem Durchmesser von etwa einem Meter oder weniger.

In diesen Hotspots liegen die Tröpfchen näher beieinander als in anderen Teilen der Wolke. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie miteinander kollidieren und größere Tropfen entstehen. Die Messungen stellen damit die bisherige Annahme infrage, wonach Tröpfchen lediglich schwach und vergleichsweise gleichmäßig verteilt clustern.

„Da die Tröpfchen dort clustern, werden Kollisionen viel wahrscheinlicher. Diese lokal begrenzten Hotspots könnten daher die Stellen sein, an denen es in flachen Cumuluswolken zu regnen beginnt“, sagt Birte Thiede, Erstautorin der Studie.

Bedeutung für Wetter- und Klimamodelle

Das MPI-DS-Team untersucht derzeit, wie Turbulenz und die beobachteten Clustering-Hotspots zusammenhängen. Weitere Feldkampagnen mit dem CloudKite-Observatorium sind in Amazonien, an der Ostsee und in Nordfinnland geplant.

Die Prozesse in warmen Wolken sind auch für Wetter- und Klimamodelle relevant. Wie effizient sich kleine Wolkentröpfchen zu Regentropfen entwickeln, beeinflusst die Lebensdauer der Wolken und ihre Fähigkeit, Sonnenlicht zurück ins All zu reflektieren. Die Beschreibung dieser Prozesse ist daher ein wichtiger Faktor für die Modellierung von Niederschlag und Energiehaushalt.

„Die Aufdeckung der verborgenen Struktur warmer Wolken wird zu besseren Beschreibungen der Regenbildung und genaueren Wettervorhersagen führen“, fasst Mohsen Bagheri zusammen.

Originalpublikation: B. Thiede, M.L. Larsen, F. Nordsiek, O. Schlenczek, Y. Kim, E. Bodenschatz, & G. Bagheri, Highly localized droplet clustering in shallow cumulus clouds, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (32) e2602976123, https://doi.org/10.1073/pnas.2602976123 (2026).

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation