Eine neue NASA-Studie zeigt, dass Aufwinde wichtiger sind als bislang angenommen, wenn es darum geht festzustellen, warum Wolken Nieselregen anstatt normal großer Regentropfen produzieren. Damit wird eine gängige Vermutung widerlegt.
Die Studie bietet eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit von der Art und Weise, wie Wetter- und Klimamodelle Niederschlag behandeln. Das ist eine der größeren Herausforderungen bei der Verbesserung kurzfristiger Wettervorhersagen und langfristiger Klimaprojektionen.
Die Forschungsarbeit von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien), der UCLA und der University of Tokyo ergab, dass niedrig liegende Wolken über dem Ozean mehr Nieselregentröpfchen produzieren als derselbe Wolkentyp über Land. Die Ergebnisse werden online im Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society veröffentlicht.
Wassertröpfchen in Wolken bilden sich zuerst um mikroskopische Partikel in der Luft, sogenannte Aerosole. Wissenschaftler untersuchen die Rolle der Aerosole in Wolken seit Jahrzehnten. Es gibt über dem Land mehr Aerosole als über dem Ozean, und Forscher hatten angenommen, dass die zusätzlichen Aerosole dazu tendieren würden, auch über dem Land mehr Nieselregen zu bilden. Die neue Studie zeigt, dass die Anwesenheit von Aerosolen allein nicht erklären kann, wo Nieselregen auftritt.
Um zu verstehen, was dabei noch eine Rolle spielt, betrachtete das Team um Hanii Takahashi vom JPL und dem Joint Institute for Regional Earth System Science and Engineering an der UCLA Aufwinde – das sind Gebiete aus warmer Luft, die von der sonnenerwärmten Erde aufsteigen. Innerhalb hoher Gewitterwolken spielen starke Aufwinde eine Rolle bei der Entstehung von Regen. In niedrigen Wolken sind die Aufwinde allerdings viel schwächer, und ihr Zusammenhang mit Regen hat nicht viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit erfahren.
„Es gab eine Hypothese, wonach Aufwinde wichtig sein könnten“, sagte Takahashi. „Aber die Hypothese wurde nie überprüft, und ich war nicht sicher, ob die Aufwinde stark genug sind, um die Größe der Regentröpfchen zu beeinflussen.“
Vorhandene Messsysteme tun sich schwer mit der direkten Überwachung der Aufwindgeschwindigkeiten. Um diese Geschwindigkeiten abzuleiten, kombinierte Takahashis Team Messungen der NASA-Satelliten Aqua und CloudSat und anderer Quellen mit Bodenradardaten einer Beobachtungsstelle des US-Energieministeriums auf den Azoren.
Sie stellten fest, dass die Aufwinde in niedrigen Wolken über Land zwar schwächer als die Aufwinde in hohen Gewitterwolken sind, aber dennoch stark genug, um Nieselregentröpfchen oben zu halten. Während die Tröpfchen innerhalb der Wolken schweben, wachsen sie, bis die Aufwinde sie nicht mehr länger oben halten können. Dann fallen sie als normal große Regentropfen zu Boden.
In vergleichbaren Wolken, die über dem Ozean entstanden, waren die Aufwinde sogar noch schwächer als über Land. Infolge dessen fielen die Tröpfchen als Nieselregen aus den Wolken, bevor sie die Gelegenheit hatten, zu normal großen Regentropfen anzuwachsen. Das hilft dabei, das Vorherrschen von Nieselregen über dem Ozean zu erklären.
Dieses Ergebnis gibt neue Einblicke in den grundlegenden atmosphärischen Prozess der Regenbildung – etwas, das sowohl bei der Wettervorhersage als auch bei der Erstellung von Klimamodellen hilfreich ist. Takahashi hofft, dass dies die Ersteller von Klimamodellen dabei unterstützen wird, in ihren Annahmen bezüglich niedriger Wolken über die Aerosole hinauszuschauen. Diese Wolken haben einen starken Einfluss auf Vorhersagen der zukünftigen Oberflächentemperaturen auf der Erde. In den meisten Modellen resultieren die aktuell genutzten Annahmen für die Vorhersage realistischer Oberflächentemperaturen in einem unrealistischen Verhalten des Nieselregens.
„Wenn wir die Aufwindgeschwindigkeiten in den Modellen realistischer machen, könnten wir daraus sowohl ein realistischeres Nieselregenverhalten als auch realistischere Oberflächentemperaturen erhalten“, sagte sie.
Die Größe von Wassertropfen
Wasserdampfmoleküle in der Luft kondensieren an Aerosolpartikeln, die als Wolkenkondensationskerne bezeichnet werden, und wachsen zu Tropfen verschiedener Größen an. Hier sind einige relevante Werte:
- Ein typischer Wolkenkondensationskern hat 0,0002 Millimeter Durchmesser (das ist etwa 1.000 Mal größer als ein Wassermolekül)
- Ein typisches Wolkentröpfchen ist rund 0,02 Millimeter groß (100 Mal größer als der Wolkenkondensationskern). Wolkentröpfchen sind nicht schwer genug, um auf die Erdoberfläche zu fallen.
- Ein typisches Nieselregentröpfchen ist etwa 0,5 Millimeter groß (25 Mal größer als ein Wolkentröpfchen). Nieselregentröpfchen sind gerade schwer genug, um zur Erde zu fallen.
- Ein typischer Regentropfen ist ungefähr zwei Millimeter groß (100 Mal größer als ein Wolkentröpfchen und viermal größer als ein Nieselregentröpfchen).
(THK)
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