3.4  Wolken und Nebel

 

3.4 Cumulonimbus

Segelfliegern geht das Herz auf, wenn sie schöne Cumuluswolken am Himmel sehen. Sie wünschen sich eine Wolkenbasis von etwa 1500m bis 2000m Höhe, mit Wolken nicht zu breit und nicht zu hoch, sonst würden sie ja eine ungehinderte Sonneneinstrahlung zum Boden blockieren. Das wäre hinderlich für eine gute Entwicklung von Thermik. Tausende verlockender Bilder mit schönen Himmeln, mit oder ohne einen glücklichen Menschen im Cockpit, füllen die WhatsApp-Gruppen von Segelfliegern.

Ein Blick zum Himmel zeigt an jedem Tag ein anderes Bild. Die Wolkenbildung sagt viel über die Luftströmungen in der Atmosphäre aus. Wolken verraten uns gutes Segelflugwetter, sie können uns aber auch vor schlechtem Wetter oder sogar gefährlichen Situationen wie Gewittern warnen. 

In diesem Kapitel behandeln wir die folgenden Themen:  

3.4.1 Wolkenbildung und Klassifizierung

3.4.2 Grundbegriffe der Thermodynamik

 

3.4.1  Wolkenbildung und Klassifizierung

Inhalt:

  • Wolkenbildung 
  • Wolkenarten und Wolkenklassifizierung
  • Einfluss von Inversionen auf die Wolkenentwicklung
  • Bedeckungsgrad

 

Wolkenbildung

Wolken entstehen im Wesentlichen dort, wo Luft aufsteigt. Die Luft enthält (unsichtbares) gasförmiges Wasser, den sog. Wasserdampf. Wird sie zum Aufsteigen gezwungen, kühlt sie sich zunächst trockenadiabatisch um 1oC pro 100m ab. Wird dabei die Taupunkttemperatur unterschritten (Spread = 0), ist die Luft gesättigt, der gasförmige Wasserdampf kondensiert an Kondensationskeimen zu winzigen Wassertröpfchen.  Kondensationskeime sind wasseranziehende Partikel. Das können z. B. Staub-, Sand- oder Rauchteilchen sein, aber auch Salzkristalle z.B. in Küstennähe.  

Gleiches geschieht in einer Wolke beim Gefrieren von Wasserdampf. Bei Temperaturen unter null Grad bilden sich Eiskristalle und es entstehen Schneeflocken. Gibt es keine Kondensationskeime, bleibt der Wasserdampf unterkühlt. Unterkühltes Wasser ist kälter als 0 °C, aber noch nicht gefroren. Ist die Temperatur sehr niedrig, niedriger als -35 °C, gefrieren die Wasserteilchen spontan. Cirruswolken bestehen z. B. vollständig aus Eiskristallen. Neben reinen Wasser- und Eiswolken gibt es auch Mischformen, vor allem bei Wolken mit großer vertikaler Ausdehnung. 

Bei ausreichender Luftfeuchte können drei Prozesse zur Wolkenbildung führen: 

a) Abkühlung durch Turbulenz durch
    
1. thermische Turbulenz (Konvektion), z.B. Cumuluswolken
    2. dynamische Turbulenz (Windscherung an Luftmassengrenzen / Mischung von 
        kalter und feuchter Luft (Inversion)), z.B. Altocumulus

b) Hebung 
    3. von Luftmassen durch Aufgleiten, z.B. Aufgleitbewölkung wie Stratuswolken
    4. Orographische Hebung auf der Luvseite von Gebirgen, z.B. Staubewölkung 
    sowie 
    5. durch atmosphärische Wellen im Lee von Gebirgen, z.B. Wellenwolken wie Lenticulariswolken

Die Wolkenbildung bei den Prozessen 1., 3., 4. und 5. ist bedingt durch die Ausdehnung der angehobenen Luft und der damit verbundenen adiabatischen Abkühlung. Die Abkühlung bei Prozess 2. ist Folge der Advektion von feuchtwarmer Luft und deren Kontakt mit der darunter liegenden kühleren Luft.    

Die Höhe, in der bei einem aufsteigenden Luftpaket die Sättigung mit Wasserdampf eintritt und der Wasserdampf kondensiert, wird „Kondensationsniveau“ genannt. Man unterscheidet das Konvektions-Kondensations-Niveau (KKN) und das Hebungs-Kondensations-Niveau (HKN). Das Konvektions-Kondensations-Niveau wird erreicht, wenn bei ausreichend instabiler Schichtung und ausreichender Erwärmung der Luft am Boden die Luft in thermischen Aufwinden durch trockenadiabatische Abkühlung die Wasserdampf-Sättigung erreicht. Wolkenbildung durch Hebung entsteht in der Regel bei stabiler Schichtung der Atmosphäre. Das Hebungs-Kondensations-Niveau ist niedriger als das Konvektions-Kondensations-Niveau.  

 

Wolkengattungen und Wolkenklassifizierung

Wolken werden in 4 Familien und 10 Gattungen unterteilt.

Die Familien sind nach der Höhenlage („Wolkenstockwerk“) klassifiziert: 

  • hohe Wolken: 5 - 13 km, 
  • mittelhohe Wolken 2-7 km, 
  • niedrige Wolken 0 - 2 km und 
  • Wolkenmit großer Vertikalerstreckung.

Die Wolkenarten werden nach der Form klassifiziert:

  • Cumulus, abgekürzt cu(Cumulus ist lateinisch für "Stapel"). Einzelne Wolken mit bauschigen Wipfeln. Cumuli entstehen durch vertikale Aufwinde.
  • Stratus(st), (geschichtete Wolken). Das sind Schichtwolken, die sich durch langsames Aufsteigen durch Aufgleiten von Luft über einer großen Fläche (daher horizontale Entstehung) bilden. 
  • Cirrus(ci) (Cirrus bedeutet lockig) Cirren sind reine Eiswolken in großer Höhe.

Aus Wolkenfamilie und Wolkenart werden die 10 Wolkengattungen abgeleitet:

3.4 Tabelle Wolkenstockwerke

 

3.4.1 Wolkengattungen 

Abb. 3.4.1   Wolkengattungen
Quelle: wikipedia

 

Im Folgenden findest du eine kurze Beschreibung der verschiedenen Wolkengattungen:

 3.4.2 Hohe Wolken neu

Abb. 3.4.2   Familie der hohen Wolken mit seinen Wolkengattungen

Hohe Wolken (ca. 5000m - 12000m):

  • Cirrostratus(cs), auch Schleierwolke genannt, bildet manchmal einen kreisförmigen Halo um die Sonne. Damit wird angezeigt, dass eine Warmfront im Anmarsch ist.
  • Cirrocumulus (cc) sind eine feine Form von Quellwolken. Sie werden auch Schäfchenwolken genannt.
  • Cirruswolken (ci) bestehen ausschließlich aus einer Art eisiger "Windfedern". Sie sind oft der Vorbote einer Störung. 

Die Wolken im hohen Stockwerk sind typischerweise Eiswolken: sie bestehen aus Eiskristallen bei Temperaturen unter – 35°C. 

 

3.4.3 Mittelhohe Wolken 

Abb. 3.4.3   Familie der mittelhohen Wolken mit seinen Wolkengattungen

Mittlere Wolken (ca. 2000m - 7000m): 

  • Altostratus (as) ist ein grauer Schleier, ein Vorbote schlechten Wetters. Die Sonne ist gerade noch zu sehen, wird aber immer schwächer.
  • Altocumulus (ac), grobe Schäfchenwolken, sieht ähnlich aus wie Cirrocumulus, ist jedoch niedriger und gröber.

Die Wolken im Alto-Stockwerk gehören in der Regel zu den sogenannten „Mischwolken“. Sie bestehen aus Eiskristallen und unterkühlten Wassertröpfchen und treten auf, wenn die Temperatur in der Wolke unter -15°C absinkt. Altocumulus-Wolken können in diesem Stockwerk bei ausreichend hohen Temperaturen aber auch als Wasserwolken vorkommen. 

 

 3.4.4 Tiefe Wolken

Abb. 3.4.4   Familie der niedrigen Wolken mit seinen Wolkengattungen

Tiefe Wolken (bis ca. 2000m): 

  • Stratus (st), eine einheitlich graue Wolkenschicht in geringer Höhe. Sieht aus wie Nebel, berührt aber nicht den Boden.
  • Stratocumulus (sc),quellende graue Wolken, dazwischen zeigt sich manchmal noch etwas blauer Himmel. Stratocumulus kann aus sich ausbreitenden Cumulus entstehen, oder aus sich labilisierendem Stratus.
  • Cumulus (cu);Quellwolken, scharf umrissen mit vertikalem, blumenkohlartigem Aufbau. Quellwolken mit großem vertikalem Aufbau heißen Cumulus congestus. Aus ihnen können auch schon Schauer fallen. Sie werden im METAR (siehe 3.10) als tcu (towering cumulus) dargestellt. Bei einer deutlichen Höheninversion können vor allem am späten Nachmittag Cumuli in stratiforme Bewölkung übergehen.

Die Wolken des untersten Stockwerks gehören zu den Wasserwolken; sie bestehen in der Regel aus Wassertröpfchen ohne weiteres Vorkommen von Eiskristallen. Reine Wasserwolken kommen bei Temperaturen oberhalb von -10°C vor.     

 

 3.4.5a Cumulonimbus    3.4.5b Nimbostratus

Abb. 3.4.5   Familie der Wolken mit großer Vertikalerstreckung mit seinen Wolkengattungen

Wolken mit großer Vertikalerstreckung:

  • Cumulonimbus; (cb)Gewitterwolken, die aus einem Cumulus bei feuchtlabiler Schichtung entstehen, aber viel größer und vor allem höher sind. In der Höhe bildet sich oft ein Amboss. Cb‘s können Hagel, kurze starke Schauer und Gewitter mit starker Turbulenz bringen. Bei Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt ist mit starker Vereisung zu rechnen. 

Cb's und Cumulus Congestus werden in der Bodenwetterkarte rot eingezeichnet.

  • Nimbostratus(ns), (nimbus, lateinisch für Regen), Regenwolken. nserstreckt sich von den tiefen bis mittleren Schichten. Aus ihm fällt langanhaltender Regen, sog. Landregen. Bei Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt ist das Vereisungsrisiko sehr hoch.

Die Sicht liegt bei all diesen Wolken unter 1500m.

Cumulonimbus- und Nimbostratus-Wolken zählen zu den Mischwolken: sie bestehen sowohl aus Eiskristallen als auch aus (unterkühlten) Wassertröpfchen.

Wolken werden noch weiter unterteilt, z.B. in Altocumulus castellanus, Wolken mit Türmchen an der Spitze, die ein Zeichen für die Labilisierung der mittleren Atmosphäre sind und als Gewittervorboten gelten, oder Altocumulus lenticularis, eine linsenförmige hohe Wolke, die Wellenbewegungen in der Atmosphäre z.B. im Lee von Bergen anzeigt.

Aufgrund dieser speziellen Art der Aufwärtsbewegung der Luft mit Wolkenbildung werden Lenticularis-Wolken gelegentlich als eigenständige Wolkenart neben den Cumuluswolken (Entstehung durch konvektive Vorgänge / Thermik) und Stratuswolken (Entstehung durch Aufgleiten an Luftmassengrenzen) klassifiziert.

Viele dieser Wolken sehen wir nacheinander bei Annäherung und Durchgang einer Front. Hat an einem Segelflugtag die Sonne eine Art „Heiligenschein“ um sich, weiß man, dass das Wetter mit hoher Wahrscheinlichkeit schlechter wird. Man nennt diese Erscheinung Halo und sie entsteht durch Brechung des Lichts an für das Auge kaum sichtbaren Eiskristallen in der Höhe.

Manchmal sieht man beim Fliegen, wie Regen von Nimbostratus-Wolken schirmartig herabhängt. In einigen Fällen berührt er nicht einmal den Boden. Dann fallen die Tropfen durch trockene Luft, die noch viel Wasserdampf aufnehmen kann. Der Regen verdunstet, bevor er den Boden erreicht.

Ein Cumulonimbus (cb) ist eine Quellwolke, die in sehr große Höhen aufsteigt, manchmal bis zur Obergrenze der Troposphäre. Dort trifft sie auf die Tropopause, die durch eine Isothermie gekennzeichnet ist, und kann nicht weiter aufsteigen. Oft bildet sich ein Wolkenkopf in Form eines Ambosses. In Kapitel 3.9. "Gefährliche Flugsituationen" wird erklärt, warum sich Segelflug und Cb‘s nicht vertragen.

 

Einfluss von Inversionen auf die Wolkenentwicklung

Inversionen wirken wie Sperrschichten für aufsteigende Luft und beenden auch damit das Wachsen von Cumuluswolken. Bei hohem Feuchtegehalt der Luft unterhalb der Inversion breiten sich die Cumuluswolken horizontal aus, der Bedeckungsgrad an Cumuluswolken wächst oder die Wolken breiten sich zu Stratocumulus aus.  

Inversionen sind aber auch Orte, an denen es ohne Hebung zur Wolkenbildung kommen kann: in der Höhe herangeführte feuchtwarmer Luft (Advektion) wird durch Kontakt mit der darunter liegenden kühleren Luft ausreichend abgekühlt. 

 

Bedeckungsgrad

Der Bedeckungsgrad ist ein Maß für die Bedeckung des Himmels mit Wolken.

 3.4.6 Bedeckungsgradabschaetzung

Abb. 3.4.6   Methodik der Bedeckungsgradabschätzung

Um den Bedeckungsgrad abzuschätzen, schaut man senkrecht hinauf zum Himmel (s. Bild oben). Man richtet den Blick auf einen Bereich von 45° nach links und rechts von der Senkrechten (s. Bild oben).

 

 3.4.7 Kulisseneffekt

Abb. 3.4.7   Kulisseneffekt bei der Bedeckungsgradabschätzung

In obigem Bild liegt der Bedeckungsgrad direkt über dem Betrachter bei 4/8. Richtung Horizont ist aufgrund des schrägen Blickwinkels immer weniger Blauanteil sichtbar („Kulissen-Effekt“). Von Bedeutung ist nur der Teil direkt über dem Beobachter. 

Der Bedeckungsgrad wird in der Meteorologie wie folgt wiedergegeben:

SKC / CLR sky clear unbewölkt
FEW few 1/8 - 2/8
SCT scattered 3/8 - 4/8
BKN broken 5/8 - 7/8
OVC overcast 8/8

Bei CLR (clear), wird der Bedeckungsgrad von einem Computer ermittelt. CLR bedeutet keine Wolken unter 12000 ft, keine Cb's und kein Niederschlag. Manchmal steht im METAR auch NSC (NSignifant Clouds, keine signifikanten Wolken) oder NCD (NClouds Detected).

Beim Bedeckungsgrad muss man darauf achten, ob es sich um den Gesamtbedeckungsgrad (der z.B. auf der Wetterkarte im Stationskreis dargestellt wird) oder den Bedeckungsgrad mit niedrigen Wolken handelt, was für die Fliegerei sehr wichtig sein kann.

 

YouTube-Video: A Tutorial on Cloud Types    (6 Minuten)

https://www.youtube.com/watch?v=FMagDRCpJ14&t=55s

 

3.4.2  Nebel und Dunst

Inhalt:

  • Allgemeine Aspekte
  • Nebelarten
  • Sicht und Sichtweite

 

Allgemeine Aspekte

Nebel und Dunst entstehen, wenn feuchte Luft sich abkühlt oder/und zusätzlich Wasserdampf in die Luft gelangt, und der Taupunkt unterschritten wird (Spread = 0). Das gasförmige Wasser kondensiert zu winzigen Tröpfchen. Ist die Sicht geringer als 1000m, spricht man von Nebel.

Bei einer Sichtweite von 1000m bis 8000m spricht man von Dunst, wobei die Sicht auch durch Rauch oder Staubpartikel eingeschränkt sein kann. Von feuchtem Dunst spricht man bei einer Luftfeuchtigkeit von 80% und mehr, von trockenem Dunst bei einer geringeren Luftfeuchtigkeit als 80%. Damit ist er weitgehend unabhängig von Temperaturänderungen. Dunst bildet sich vorwiegend in stabilen Luftschichten mit einer ausgeprägten Inversion.

Bei Nebel und Dunst sieht man sehr schlecht, besonders bei Landungen gegen die Sonne.

 3.4.8 Bodennebel

Abb. 3.4.8  Bodennebel

 

Nebel ist für den Piloten ein Spielverderber, mit dem er meist im Frühjahr oder Herbst zu kämpfen hat. Die Sonnenstrahlen sind weniger intensiv und manchmal nicht stark genug, um ihn aufzulösen. Bei Rückgang des Taupunktes am Boden und aufkommendem Wind geht er vormittags oft in Hochnebel über. Im Winter hält der Nebel häufig lange Zeit an, wenn bei Wetterlagen mit geringem Temperaturgradienten noch eine niedrige, kräftige Inversion vorhanden ist. Im Sommer dagegen schafft es die Sonne fast immer, den Nebel aufzulösen. Die Sonnenstrahlen bringen die Tröpfchen der dünnen Nebelschicht am Boden zum Verdampfen. Sobald Lücken entstehen, erwärmt sich zusätzlich der Boden und der Nebel verschwindet. Auch Wind hilft bei der Auflösung. Er erzeugt Turbulenzen, die untere Luftschicht vermischt sich mit der darüber liegenden wärmeren Luft, die relative Luftfeuchtigkeit in der unteren Schicht verringert sich, der bodennahe Taupunkt geht zurück. 

 

Nebelarten

Strahlungsnebel

Strahlungsnebel ist die in Mitteleuropa über Land am häufigsten auftretende Nebelart. 

In klaren Nächten strahlt die Erde Wärme ab, der Boden kühlt ab und damit auch die untere Luftschicht. Zudem ist kalte Luft schwerer und sinkt herab. Über feuchten Gebieten wie z. B. Seen, Mooren, Flusstälern gelangt zusätzliche Feuchtigkeit in die Luft. All das verringert den Spread. Weht kein Wind, der die bodennahe Schicht mit der darüber liegenden Luft vermischt, bleibt der Nebel lange erhalten.

 

Advektionsnebel (Einströmen von relativ warmer Luft)

Bei advektivem Nebel strömt warme, feuchte Luft über einen kalten Untergrund. Dort kühlt sie sich ab und kann damit weniger gasförmiges Wasser aufnehmen. Bei einer relativen Feuchte von 100% kondensiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf, es bildet sich Nebel.

 

Seenebel

ist advektiver Nebel. Wenn das Meerwasser wärmer ist als die Luft über dem Land und der Wind auflandig ist, bewegt sich feuchtwarme Luft über ein kälteres Gebiet. Kühlt diese Luft unter ihren Taupunkt ab (spread = 0), bildet sich Seenebel.

 

Mischungsnebel

Mischt sich warme feuchte, nicht gesättigte Luft mit kalter, feuchter Luft, kann es zur Sättigung kommen (Luftfeuchte 100%), unabhängig von der Temperatur des Untergrunds.

 

Frontalnebel

ist Regennebel. Nach einem Regenschauer kann die Luftfeuchtigkeit so stark ansteigen, dass sich Nebel bildet.

 

Orographischer Nebel

3.4.9 Orographischer Nebel Abb. 3.4.9  Orographischer Nebel 

 

Bläst der Wind gegen einen Berg, wird die Luft gezwungen, aufzusteigen. Dadurch kühlt sie sich zunächst adiabatisch ab (1oC pro 100 m). Steigt die relative Feuchte auf 100%, bilden sich im Luv des Berges Wolken bzw. Nebel.

 

Verdunstungsnebel

Sehr kalte Luft strömt über warme Wasserflächen oder Moore mit hoher Verdunstungsrate.

 

Hochnebel

Aus Strahlungsnebel wird in den Vormittagsstunden oft Hochnebel, wenn durch Zunahme des Windes auf 5-7kt die bodennahe Schicht durchmischt wird und der Taupunkt dabei sinkt / die Luft trockener wird.

 

Sicht und Sichtweite

Je größer der Wasserdampfgehalt der Luft (Feuchtigkeit der Luft), umso schlechter die Sicht. Warme Luft bringt schlechtere Sichten als kalte Luft. Trockene Luft bringt bessere Sicht als feuchte Luft.

Jedoch beeinflussen auch feste Teilchen in der Luft (Ruß, Staub, Sand, Schnee (Sichtweite unter 500m möglich) die Sichtweite.

Ebenso ist entscheidend, ob man mit der Sonne (Reflexion) oder gegen die Sonne (Streuung) schaut.

  

In der Fliegerei gibt es verschiedene Sichtweitenangaben:

Flugsicht oder Horizontalsicht

Sicht in Flugrichtung im Fluge

Erdsicht

Sicht aus dem Luftfahrzeug senkrecht nach unten

Schrägsicht

Sicht aus dem Luftfahrzeug nach vorne zum Boden (Landung, Navigation)

Bodensicht

am Boden von einer amtlichen Person festgestellte horizontale Sichtweite (wird meist beim Wetterbericht angegeben)

Landebahnsicht

horizontale Sichtweite im Bereich der Landebahn (nur bei Verkehrsflughäfen)

Vertikalsicht

Sicht vom Boden senkrecht nach oben

 

Die Flugsicht ist in der Nähe einer Inversion besonders schlecht.

Bodennahe Inversionen sind schlecht für die Schrägsicht, v.a. wenn man gegen die Sonne schaut!!

Die Sicht kann sich im Tagesverlauf verschlechtern, wenn sich der Spread verringert (Temperaturrückgang am Nachmittag).

Als meteorologische Sichtweite wird die Entfernung bezeichnet, bei der am Tage dunkle Gegenstände ausreichender Größe gegen den hellen Horizont gerade noch mit bloßem Auge erkennbar sind. Die Kenntnis der Sichtweiten an der Flugstrecke ist wichtig für die Flugdurchführung!

Bei Niederschlag betragen die Sichtweiten ungefähr: 

Mäßiger bis starker Sprühregen: unter 3km Mäßiger bis starker Schneefall: unter 1-2km

In METAR-Flugwetter-Meldungen wird Dunst bei Sichtweiten von 1000 bis 5000m gemeldet.

 

Zusammenfassung

  • In gesättigter Luft kommt es nur dann zur Kondensation, wenn Kondensationskeime vorhanden sind.
  • Bei Temperaturen unter 0° C gefriert der Wasserdampf bei vorhandenen Kondensationskeimen. Sind keine Kondensationskeime vorhanden und gibt es keine Turbulenzen, bleibt der Wasserdampf bis zu einer Temperatur von -35C unterkühlt. Seine Temperatur liegt zwar unter 0°C, er ist aber noch nicht gefroren. Unterhalb von -35bilden sich direkt Eiskristalle. 
  • Wolken werden in 4 Familien (nach der Höhe) und 10 Gattungen (der Form nach) eingeteilt 
    Hoch: Cirruswolken, Cirrocumulus und Cirrostratus
    Mittel: Altocumulus und Altostratus
    Tief: Stratus, Stratocumulus, Cumulus
    Vertikal: Cumulonimbus, Nimbostratus.
  • Der Bedeckungsgrad gibt an, welchen Teil des Himmels die Wolken einnehmen.
  • Nebel und Dunst entstehen durch Abkühlen feuchter Luft oder durch Zufuhr von Wasserdampf. Wir sprechen von:
    • Nebel: Die Sichtweite beträgt weniger als 1000 m 
    • Feuchter Dunst: Eingeschränkte Sicht von etwa 1000 m bis 8000m bei einer Luftfeuchte von mehr als 80%
    • Trockener Dunst: Eingeschränkte Sicht zwischen 1000m und 8000m und einer rel. Luftfeuchte von weniger als 80%.
  • Strahlungsnebel entsteht in klaren Nächten, wenn sich die untere Luftschicht abkühlt. Kalte Luft ist schwerer und sinkt, der Wasserdampf kondensiert zu winzigen Tröpfchen. 
  • Von advektivem Nebel spricht man, wenn warme, feuchte Luft über eine kalte Unterlage strömt (dies geschieht auch beim Seenebel).
  • Mischungsnebel
  • Mischt sich warme feuchte, nicht gesättigte Luft mit kalter, feuchter Luft, kann es zur Sättigung kommen (Luftfeuchte 100%), unabhängig von der Temperatur des Untergrunds.
  • Frontalnebel tritt nach einer Niederschlagsfront auf, wenn die Luftfeuchtigkeit so weit ansteigt, dass sich Nebel bildet.
  • Orographischer Nebel bildet sich, wenn der Wind einen Berg hinauf gezwungen wird. 
  • Verdunstungsnebel entsteht beim Überströmen von sehr kalter Luft über warme Wasserflächen