Wolken- und Niederschlagsphysik
Die mikrophysikalischen Prozesse, durch die Wasserdampf Wolkentröpfchen und Eiskristalle bildet und zu Regen, Schnee und Hagel heranwächst.
Definition
Die Wolken- und Niederschlagsphysik ist die Untersuchung der Bildung, des Wachstums und des Ausfalls von flüssigen und eisigen Hydrometeoren in der Atmosphäre auf der Skala einzelner Partikel.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Nukleation von Wolkentröpfchen an Aerosolpartikeln, das Wachstum von Tröpfchen durch Kondensation sowie durch Kollision und Koaleszenz, die Bildung und das Wachstum von Eiskristallen, Mischphasenprozesse einschließlich Raureifbildung und Aggregation, die Rolle von Wolkenkondensations- und Eisnuklei sowie den Übergang von Wolkenpartikeln zu Niederschlag.
Sub-topics
Core questions
- Wie bilden sich Wolkentröpfchen an Aerosolpartikeln?
- Durch welche Prozesse wachsen Tröpfchen und Kristalle groß genug, um als Niederschlag zu fallen?
- Wie koexistieren und interagieren Eis und Flüssigkeit in Mischphasenwolken?
Key theories
- Köhler-Theorie der Tröpfchenaktivierung
- Durch die Kombination der Krümmungs- (Kelvin) und Lösungsmitteleffekte (Raoult) sagt die Köhler-Theorie die kritische Übersättigung voraus, bei der ein Dunstpartikel zu einem wachsenden Wolkentröpfchen aktiviert wird.
- Kollisions-Koaleszenz und der Bergeron-Prozess
- Niederschlag entsteht entweder durch die Kollision und Verschmelzung größerer Tröpfchen in warmen Wolken oder durch das Wachstum von Eiskristallen auf Kosten unterkühlter Tröpfchen in kalten Wolken.
Mechanisms
Wasserdampf kondensiert an Wolkenkondensationskernen, sobald die Übersättigung den kritischen Wert überschreitet, der durch die Köhler-Theorie gegeben ist, wodurch eine Population kleiner Tröpfchen entsteht. Diese wachsen zunächst durch Dampfdiffusion und dann, schneller, durch gravitative Kollision und Koaleszenz. In kälteren Wolken nukleieren Eiskristalle an Eiskeimen oder durch Gefrieren von Tröpfchen und wachsen durch Dampfablagerung in Gegenwart von unterkühltem Wasser (der Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess), durch Raureifbildung und durch Aggregation, wodurch schließlich Schnee, Graupel oder Hagel entsteht.
Clinical relevance
Die Wolkenmikrophysik steuert die Niederschlagseffizienz, die Strahlungseigenschaften von Wolken und die Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen, wodurch sie für die Wettervorhersage, die Abschätzung der Klimasensitivität und die Bewertung der Wolkenimpfung von zentraler Bedeutung ist.
History
Die Eiskristalltheorie des Niederschlags wurde von Wegener vorgeschlagen und in den 1930er Jahren von Bergeron und Findeisen weiterentwickelt, während Köhlers Theorie von 1936 die Tröpfchenaktivierung erklärte. Das Feld wurde in Pruppacher und Kletts umfassender Monographie zusammengefasst, die seit den 1970er Jahren ein Standardwerk ist.
Key figures
- Tor Bergeron
- Hilding Kohler
- Hans Pruppacher
Related topics
Seminal works
- pruppacher1997
- rogers1989
Frequently asked questions
- Warum beginnen die meisten Regentropfen in mittleren Breiten als Eis?
- In kalten Wolken ermöglicht der Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess ein schnelles Wachstum von Eiskristallen auf Kosten unterkühlter Tröpfchen; die Kristalle fallen, schmelzen und erreichen den Boden als Regen.