Über die Entstehung von Eiswolken!

In der Meteorologie unterscheidet man zwischen Warmphasenwolken, Kaltphasenwolken und Mischphasenwolken. Warm und kalt ist hier gleichbedeutend, inwiefern das auskondensierte Wasser vorliegt: flüssig oder fest. Also ob in einer Wolke Wolkentropfen oder Eiskristalle vorherrschen. Logischerweise enthalten Mischphasenwolken beide Formen. Wasserdampf hingegen, auch das ist logisch, ist natürlich immer beteiligt. Folglich hat man mindestens zwei Phasen: gasförmig sowie flüssig oder fest. Bei der Mischphase hat man ein System aus drei Phasen: gasförmig sowie flüssig und fest.

Warmphasenwolken (z.B. Stratocumulus in der bodennahen Grenzschicht) befinden sich in einem Temperaturbereich über 0°C. Für die beiden anderen Typen befinden wir uns entsprechend in einem Temperaturbereich unter 0°C. Mischphasenwolken entstehen im Zusammenhang mit Fronten, konvektiven Ereignissen oder orographischen Wolken und Kaltphasenwolken (z.b. Cirren) findet man in großen Höhen und bestehen ausschließlich aus Eiskristallen.

Eiskristalle aus unterkühlten Tröpfchen

Ähnlich wie schon im Artikel über die Wolkentropfenbildung stellt sich die Frage, wie entstehen überhaupt Eiskristalle? Könnten sich diese zum Beispiel direkt aus dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf bilden? Theoretisch ja, aber nicht so einfach. Denn die Theorie sagt, dass hierfür Temperaturen geringer als -65°C benötigt werden würden. Gleichzeitig aber auch eine Übersättigung von über 1000%. Derartig hohe Übersättigungen treten in der Atmosphäre alledings nicht auf. Das deutet auf andere Prozesse hin.

Bei der Entstehung von Eiskristallen gibt es allerdings viele verschiedene mögliche Prozesse. Einer davon ist das homogene Gefrieren von Wolkentropfen. Bis alle Tropfen gefroren sind, muss die Temperatur allerdings ordentlich sinken. Erst bei ungefähr -38°C bestehen in den allermeisten Fällen die Wolken aus Eis. Bis dahin können Wolkentropfen noch in ihrer flüssiger Form vorkommen und werden dann unterkühlte Tropfen genannt.

Allerdings weiß man durch Messungen, dass bei Temperaturen zwischen 0 und -38°C Eiskristalle existieren und gleichzeitig das homogene Gefrieren von Wolkentropfen nicht dafür verantwortlich sein kann. Hier spielen (unlösliche) Aerosolpartikel eine große Rolle. Das heißt Aerosole können die Eiskristallbildung oberhalb von -38°C begünstigen.

Der Temperaturbereich bis -38°C, der innheralb von Mischphasenwolken vorherrschen kann, ist auch im Hinblick auf Niederschlagsbildung besonders interessant. Denn der Sättigungsdampfdruck über Wasser ist höher als der über Eis. So können unterkühlte Wolkentropfen verdunsten, sofern die Umgebung bezüglich Wasser untersättigt ist. Wenn die Umgebungsluft allerdings gleichzeitig übersättigt bezüglich Eis ist, resublimiert der Wasserdampf direkt auf den Eiskristallen und die Eiskristalle wachsen auf Kosten der Wassertröpfen. Irgendwann sind die Eiskristalle allerdings groß genug und fallen aus. Dann je nach Umgebungsbedingungen z.B. als Schnee oder große Regentropfen.

Aerosole erleichtern die Eiskristallbildung

Sollten Aerosole bei der Kristallbildung beteiligt sein, gibt es verschiedene Modi, wie die Eiskristallbildung ablaufen kann. Es ist möglich, dass ein Aerosolpartikel (auch Eiskeim genannt) sich innerhalb eines unterkühlten Tropfens befindet. Das kann auf zwei Arten passieren. Das Aerosolteilchen war schon verantwortlich für die Bildung des Wolkentropfens und erleichtert sofort auch die Bildung von Eiskristallen. Dies nennt man Kondensationsgefrieren. Es kann allerdings auch sein, dass das Aerosol in ein unterkühlten Tropfen eingebunden ist und dann für die leichtere Eiskristallbildung sorgt. Man nennt dies auch Immersionsgefrieren.

Weiter kann der Gefrierprozess einsetzen, sobald ein Aerosolteilchen mit einem unterkühlten Tropfen in Kontakt gerät. Das heißt erst der Kontakt mit einem geeigneten Teilchen löst die Bildung eines Eiskristalls aus. Dieser Prozess wird auch Kontaktgefrieren genannt. Das ist übrigens auch ein Grund, warum unterkühlte Tropfen eine Gefahr für die Luftfahrt darstellen. Die Tropfen gefrieren sofort auf dem Flugzeug und können dabei die Flugfähigkeit massiv beeinträchtigen. Zu guter Letzt kann die Bildung von Eis auch in einer eisübersättigten Dampfumgebung stattfinden und das Eis bildet sich direkt auf einem Eiskeim aus der Dampfphase. Dann spricht man von der Depositionsnukleation.

Man wird vielleicht überrascht sein, aber die Eiskeime können aus vielfältigen Quellen stammen. So ist Mineralstaub ein sehr guter Eiskeim, aber zum Beispiel auch Vulkanasche. Gleiches gilt für Rußpartikel. Geeignet sind aber auch biologische Partikel wie etwa Pilzsporen, Pollen und Bakterien. Gerade Bakterien können die Temperatur bei der sich Eis bildet enorm erhöhen (Bereiche von -5°C bis -10°C).

Am bekanntesten und präsenter ist wahrscheinlich dennoch der Mineralstaub, wie zum Beispiel aus der Sahara. Dieser sorgt bei uns immer wieder für Unsicherheiten bei der Wettervorhersage, indem die Wolkenbildung unterstützt durch den Mineralstaub ungenügend berücksichtigt wird.