Lexikon der Fernerkundung

Wolken

Sichtbares Produkt der Kondensation bzw. Deposition von Wasserdampf in der Atmosphäre. Sie bilden sich als Ansammlung von kleinen, teils unterkühlten Wassertröpfchen (Wasserwolken), von Eiskristallen (Eiswolken) oder beidem (Mischwolken), deren Tropfenfallgeschwindigkeit so gering ist, dass sie in der Schwebe gehalten werden. Die Höhe, bei der Kondensation bzw. Deposition eintritt, bezeichnet man als Wolkenbasis oder Wolkenuntergrenze. Diese wird heute in der Regel mit einem Ceilometer bestimmt.

Für die meisten Klimaregionen sind bestimmte Wolkenarten charakteristisch. Sie sind typische Kennzeichen der jeweiligen Wetterlage und Vorzeichen für die künftige Wetterentwicklung. Um die Beobachtung von Wolken international vergleichbar zu machen, hat man schon früh ein einheitliches Klassifikationssystem entwickelt (Howardsche Wolkenklassen).

Wolkenteilchen (Wolkentropfen oder Eiskristalle) entstehen durch Abkühlung feuchter Luft aufgrund von Hebung oder Mischung verschieden feuchter Luftmassen bis Kondensation bzw. Deposition eintritt. Initiale Wolkenteilchen entstehen in der Atmosphäre durch die Anlagerung von Wasserdampf an Kondensationskernen oder Gefrierkernen. Der Gesamtwasser- bzw. Eisgehalt einer Wolke ist von der Lufttemperatur, dem verfügbaren Wasserdampf und der Hebungsgeschwindigkeit abhängig (Wassergehalt der Wolken).

Wolken stellen bei der Bildung von Niederschlag aus Wasserdampf eine entscheidende Zwischenstufe im Wasserkreislauf dar.

Mit einem globalen Bedeckungsgrad von ca. 66 % spielen Wolken im gesamten Energiehaushalt der Erde eine wichtige Rolle. Über den Albedo- und Treibhauseffekt modulieren Wolken den Strahlungshaushalt der Erde (Cloud Forcing). Durch Prozesse wie Verdunstung und Kondensation und den damit einhergehenden Transporten von Frischwasser und latenter Wärme spielen Wolken im globalen Wasserkreislauf und Wärmehaushalt eine zentrale Rolle. Die von den Wolken freigesetzte Kondensationswärme beeinflusst die atmosphärischen Zirkulationszellen, die wiederum mit dem Ozean wechselwirken (z. B. ENSO). Wolken wirken als Teil des Klimasystems somit auf dieses ein, werden aber auch umgekehrt vom Klima und seinen Veränderungen beeinflusst.

Grafik: Die Komponenten des Klimasystems

Die folgende Grafik enthält die Komponenten des Klimasystems und deren Interaktionen, einschließlich des menschlichen Einflusses. Alle diese Komponenten müssen als gekoppeltes System in einem Allgemeinen Zirkulationsmodell (General Circulation Model, GCM) dargestellt werden, das die Bereiche Ozeane, Atmosphäre (inkl. Wolken), Land, Kryosphäre und Biosphäre umfasst.

Seit den 1970er Jahren haben Wissenschaftler die entscheidende Bedeutung der Wolken für das Klimasystem und für den Klimawandel erkannt. Wolken beeinflussen das Klimasystem auf unterschiedliche Art und Weise. Sie erzeugen Niederschlag (Regen und Schnee), der für die meisten Lebensformen an Land notwendig ist. Sie erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert. Obwohl ein Teil des kondensierten Wassers wieder verdunstet, steht der Niederschlag, der die Erdoberfläche erreicht, für eine Netto-Erwärmung der Luft.

Wolken haben einen starken Einfluss auf die Energieflüsse sowohl der Sonneneinstrahlung (Erwärmung des Planeten) als auch der Infrarotstrahlung (Abkühlung des Planeten durch Abstrahlung in den Weltraum) durch die Atmosphäre. Schließlich gibt es in Wolken starke Aufwinde, wodurch Luftmassen schnell von der Nähe der Erdoberfläche in große Höhen befördert werden können. Die Aufwinde transportieren Energie, Feuchtigkeit, Impuls, Spurengase und Aerosolpartikel. Über Jahrzehnte haben Klimawissenschaftler sowohl Beobachtungen als auch Modelle genutzt, um zu untersuchen, wie Wolken sich mit dem täglichen Wetter, mit dem Jahreszyklus und mit Veränderungen von Jahr zu Jahr, wie beispielsweise den mit El Niño verbundenen, verändern.

Die Komponenten des Klimasystems Climate System Quelle: Sciencemag / DKK

Wolken prägen entscheidend die Strahlungsbilanz der Erde. Durch ihr hohes Reflexionsvermögen im solaren Spektralbereich wird solare Strahlung zu einem Teil direkt in den Weltraum zurückgestreut und steht damit dem System Erdboden und Atmosphäre nicht mehr zur Verfügung (Albedoeffekt). Im terrestrischen Spektralbereich verhalten sich Wolken nahezu wie ein Schwarzer Körper. Die vom Erdboden nach oben gerichtete terrestrische Strahlung wird von den Wolken absorbiert, gleichzeitig emittieren die Wolken selbst langwellige Gegenstrahlung entsprechend der Temperatur der Wolkenuntergrenze in Richtung Erdboden. An der Wolkenobergrenze wird ebenfalls langwellige Strahlung in Richtung Weltall emittiert. Wolken tragen damit sowohl zur Abkühlung bzw. Erwärmung des Bodens und der Atmosphäre bei. Das Ergebnis der Bilanzierung beider Effekte hängt von der Höhe der Wolken, ihrer Dicke und ihren Strahlungseigenschaften ab. Diese wiederum werden von der Verteilung des Wasserdampfes, von den Wassertropfen und Eispartikeln sowie von den atmosphärischen Aerosolen beeinflusst.

Hohe, dünne Zirruswolken führen zu einer Nettoerwärmung des gesamten Systems. Ihre geringe optische Dicke bedingt eine hohe Transmissivität für die einfallende Solarstrahlung (geringer Albedoeffekt). Im langwelligen Spektralbereich sind sie stark absorbierend und emittieren dem Gesetz von Kirchhoff folgend terrestrische Strahlung. Aufgrund ihrer Lage in großer Höhe weisen sie niedrige Temperaturen sowohl an ihrer Unterseite als auch an ihrer Oberseite auf. Daher ist die zum Boden gerichtete Gegenstrahlung vergleichsweise gering. Auch die nach oben gerichtete Ausstrahlung ist verglichen mit dem wolkenlosen Fall klein (hoher Treibhauseffekt). Die Bilanz beider Effekte führt zu einer Nettoerwärmung.

Tiefe, dicke Wolke tragen zu einer Abkühlung bei. Diese Wolken haben nur eine geringe Transmissivität für die kurzwellige Einstrahlung (hoher Albedoeffekt), sind aber verhältnismäßig warm und strahlen somit im langwelligen Spektralbereich viel Energie aus (geringer Treibhauseffekt), was in der Summe zu einer Abkühlung führt. In der globalen Bilanz beider Effekte, Abkühlung und Erwärmung, liegen sie nah beieinander, insgesamt überwiegt allerdings der Effekt der Abkühlung.

Obwohl die Wolken so wichtig für das Klima und dessen Verständnis sind, ist die Kenntnis ihrer Eigenschaften noch gering. Auch deshalb stellt der IPCC-Bericht von 2001 (Stocker et al., 2001) fest, dass Wolken weiterhin die größte Quelle an Unsicherheit bei der korrekten Beschreibung des Klimas sind.

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