3.4  Wolken und Nebel

Clouds and fog

Wolkenbildung, Wolkeneigenschaften und Wolkenklassifizierung

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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 Nebel und Dunst
  
• Zusammenfassung

3.4.1  Wolkenbildung und Klassifizierung

Prozesse der Wolkenbildung, Einteilung und Unterscheidung von Wolken aufgrund ihrer Entstehung und nach Höhenschichten, in denen sie auftreten

Inhalt:

• 3.4.1.1 Wolkenbildung 
• 3.4.1.2 Wolkengattungen und Wolkenklassifizierung
• 3.4.1.3 Einfluss von Inversionen auf die Wolkenentwicklung
• 3.3.1.4 Bedeckungsgrad (1)
  
• 3.3.1.5 Bedeckungsgrad (2) 

3.4.1.1  Wolkenbildung

Unterscheidung der Wolkenbildung durch Abkühlungs- und Hebungsprozesse sowie durch Wellen über Gebirgen

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 1^oC 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.    

3.4.1.2  Wolkengattungen und Wolkenklassifizierung

Wolkenfamilien, -Gattungen und -arten

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

• hohe Wolken: 5 - 13 km
• mittlere Wolken 2-7 km
  
• tiefe Wolken 0 - 2 km 
• Wolken mit großer Vertikalerstreckung

Die Wolkengattungen werden nach ihrem Wolkenstockwerk und ihrer Form klassifiziert, wobei drei wesentliche Formen zu unterscheiden sind:

• Haufenwolken („Cumuluswolken“; lateinisch cumulus und bedeutet „Haufe“): Einzelne Wolken mit bauschigen Wipfeln. Cumuli entstehen durch vertikale Aufwinde.
• Schichtwolken („Stratus“; lateinisch stratus, zweites Partizip des Verbs sternere, bedeutet „ausdehnen, ausbreiten, mit einer Schicht bedecken“): Wolken, die sich durch langsames Aufsteigen durch Aufgleiten von Luft über einer großen Fläche (daher horizontale Entstehung) bilden. 
• Cirrus („cirrus“ bedeutet „Franse“ (am Kleid): sind reine Eiswolken in großer Höhe.

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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. 

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.

Tiefe Wolken (bis ca. 2000m)

Unterscheidung der Wasserwolken in Schicht- und Quellwolken

• 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.

Wolken mit großer Vertikalerstreckung

Unterscheidung von Wolken mit Niederschlagsbildung

     

• Cumulonimbus (Cb), (nimbus, lateinisch für Regen): 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 reichen manchmal bis zur Obergrenze der Tropopause und können Hagel, kurze starke Schauer und Gewitter mit starker Turbulenz bringen. Bei Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt ist mit starker Vereisung zu rechnen. 
  Im Kapitel 3.9.4 "Gefährliche Flugsituationen Gewitter" wird näher erklärt, warum sich Segelflug und Cb‘s nicht vertragen.
  

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

• Nimbostratus (Ns), Regenwolken: Erstreckt 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.

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.

3.4.1.3  Einfluss von Inversionen auf die Wolkenentwicklung

Auswirkung von Temperaturumkehrschichten auf die Wolkenbildung

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.  

3.4.1.4  Bedeckungsgrad (1)

Methode zur Abschätzung der Abdeckung des Himmels mit Wolken

 

 

3.4.1.5  Bedeckungsgrad (2)

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 (No Signifant Clouds, keine signifikanten Wolken) oder NCD (No Clouds 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)

3.4.2  Nebel und Dunst

Entstehung und Unterscheidung von Nebel und Dunst, Auswirkungen auf die Sicht beim Fliegen

Inhalt:

• 3.4.2.1 Allgemeine Aspekte
• 3.4.2.2 Nebelarten
• 3.4.2.3 Sicht und Sichtweite 

3.4.2.1  Allgemeine Aspekte

Entstehung und Unterscheidung von Dunst und Nebel

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.

 

3.4.2.2  Nebelarten

Strahlungsnebel

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

Advektionsnebel (Einströmen von relativ warmer Luft)

Seenebel

Mischungsnebel

Frontalnebel

Orographischer Nebel

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Verdunstungsnebel

Hochnebel

3.4.2.3  Sicht und Sichtweite

Sichtweitenangaben in der Luftfahrt und ihre Bedeutung

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.

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

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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

Zusammenfassung

• In gesättigter Luft kommt es nur dann zur Kondensation, wenn Kondensationskeime vorhanden sind.
• Bei Temperaturen unter 0° C gefriert der Wasserdampf bei vorhande-nen Kondensationskeimen. Sind keine Kondensationskeime vorhanden und gibt es keine Turbulenzen, bleibt der Wasserdampf bis zu einer Temperatur von -35^° C unterkühlt. Seine Temperatur liegt zwar unter 0°C, er ist aber noch nicht gefroren. Unterhalb von -35^° bilden 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

 

Anker:  Wolkenbildung Wolk1a; Wolkenarten = Wolk1b; Hohe = Wolk1b1; Mittlere = Wolk1b2; Tiefe = Wolk1b3; Vertikalerstreckung = Wolk1b4; Inversionen = Wolk1c; Bedeckung1 = Wolk1d; Bedeckung2 = Wolk1e;

Nebel = Wolk2; Allgemeine Wolk2a; Nebelarten = Wolk2b; Sicht = Wolk2c; Zusammenfassung = Wolk-Zus 

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