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Physik im Alltag und Naturphänomene

Hole punch – Eine aufgeschlitzte Wolke

An einem kalten Wintermorgen entdeckte ich kurz vor Sonnenaufgang in einer flachen Schicht von Altocumuluswolken eine längliche Scharte, die einen Durchblick auf darüber liegende, bereits von der Sonne erhellte blaue Himmelspartien erlaubte. Es sah aus, als wäre ein Wolkenstreifen durch dieses Loch gleichsam hindurch gesackt. Er hing im orangenen Licht der aufgehenden Sonne und wurde seiner luftigeren Konsistenz entsprechend von diesem Licht geradezu durchglüht. Dieser Streifen hatte die typische luftige und strähnige Konsistenz von Cirruswolken (was auf dem Foto allerdings nicht gut zu erkennen ist. Aber wie man – denke ich – sehen kann, liegt dieses Wolkengebilde noch unterhalb der Altocumulusschicht. Ein schönes – aber auch kompliziertes Phänomen, das letztlich auf den Einfluss des Homo Faber zurückgeht. Wer es genauer wissen will, muss sich den folgenden Text ansehen.


Solche Wolkenlöcher tauchen in früheren fotografischen Dokumentationen von Wolken, beispielsweise um das Jahr 1920 noch nicht auf. Erst um 1940 wird vereinzelt von ihnen berichtet. Und vor etwa 50 Jahren werden sie erstmalig physikalisch beschrieben. Bereits damals wird erkannt, dass bei der Entstehung von Wolkenlöchern unterkühlte Wassertröpfchen und die Initiation eines sich von einer Stelle ausbreitenden Kristallisationsvorgangs eine wesentliche Rolle spielen.
Diese Erklärung konfrontiert uns zunächst mit der Frage, wie eine flache Wolkenschicht in großer Höhe, also bei einer Temperatur weit unterhalb des Gefrierpunkts, überhaupt existieren kann, ohne zu Eiskristallen zu gefrieren.
Dass Wasser nicht sofort bei 0° C erstarrt, ist aus dem Alltag bekannt. Wenn man im Winter Flaschen mit Mineralwasser auf dem Balkon deponiert hat und diese durch einen Temperaturabfall unterhalb des Gefrierpunkts abgekühlt werden, kann es ebenfalls vorkommen, dass das Wasser in ihnen flüssig bleibt. Erst beim Öffnen oder allein dadurch, dass die Flasche ruckartig bewegt wird, erstarrt das Wasser innerhalb einiger Sekunden. Denn durch die Störungen bilden sich sogenannte Eiskristall-Embryonen, die – wenn sie eine kritische Größe überschreiten – zu einer weiteren Kristallisation führen.
Bei Temperaturen unterhalb von etwa -40°C können Eiskristalle spontan entstehen. Bei höheren Temperaturen müssen Keime in Form von Fremdmaterial vorhanden sein, um eine Kristallisation in Gang zu setzen. Oberhalb von etwa -35° C kann eine flache Wolkenschicht, wenn sie nur wenige Keime enthält, Stunden existieren, ohne dass die unterkühlten Tropfen kristallisieren. Die Abwesenheit von Kristallisationskeimen in mittleren Höhen ist dadurch zu erklären, dass die Wolken bereits mindestens ein Niederschlagssystem durchlaufen haben (also z.B. dass der Wasserdampf zu Wassertröpfchen kondensiert oder zu Eiskristallen kristallisiert ist), so dass fast alle möglichen Keime „aufgebraucht“ wurden.
Wenn in solche flachen „keimfreien“ Wolkenschichten aus unterkühlten Tröpfchen in einer Höhe von 6,5 km bis 8 km Höhe und Temperaturen von typischerweise – 27° C Eiskristalle oder andere Keime hineingeraten, kommt es zur Kristallisation. Dabei wird genauso viel Energie (Kristallisationswärme) frei, wie man einem Eiskristall zuführen müsste, um ihn zu verflüssigen (Energieerhaltung). Und das ist verhältnismäßig viel: Wenn flüssiges Wasser bei 0° C in festes Eis übergeht, wird etwa so viel Energie frei, wie zum Erwärmen derselben Wassermenge von 0° C auf 80° C aufgewandt werden müsste.
In der Wolke herrscht eine relative Feuchte von 100%; es liegt also eine Sättigung bezüglich des (flüssigen) Wassers vor. Und wegen der starken Unterkühlung haben wir es bezüglich des Eises sogar mit einer Übersättigung zu tun. Wenn in dieser Situation Wassertröpfchen durch Kristallisation verschwinden sinkt gleichzeitig die relative Feuchte unter 100%, so dass weitere Tröpfchen verdunsten können. Praktischerweise wird die dazu nötige Energie teilweise durch die anfallende Kristallisationswärme zur Verfügung gestellt.
Die Erstarrung der Teilchen breitet sich kettenreaktionsartig nach allen Seiten aus: Wenn die kristallisierenden unterkühlten Tröpfchen mit anderen in Kontakt geraten, werden winzige Eissplitter abgegeben, die bei der Kollision mit anderen Tröpfchen weitere Kristallisationen auslösen usw. Das führt zum Verschwinden eines erheblichen Teils der Wolkendecke und zur Entstehung eines bis zu mehreren Kilometern  großen Lochs (englisch: hole punch). Dieses Loch ist meist kreisrund, kann aber auch je nach der auslösenden Ursache eine längliche Form annehmen (sieh Foto).
Während also Teile der Wolkendecke rein optisch gesehen spurlos verschwinden, treten die zu Eiskristallen gefrorenen Teile der Wolke sichtbar in Form des Wolkenstreifens von typischerweise einigen hundert Metern Größe in Erscheinung. Dass es sich dabei nicht um Wassertropfen, sondern Eiskristalle handelt, weiß man u.a. durch das gelegentliche Auftreten typischer optischer Brechungsphänomene, wie Nebensonnen u.ä. Sie befinden sich in der Mitte des Lochs und scheinen am Rand an der Unterseite der Wolkenschicht fixiert. Zur Mitte hin hängen sie dann bis zu zwei Kilometer unten aus der Wolkenschicht heraus. Weil sich die in unterschiedlichen Größen auftretenden Kristalle durch die Schwerkraft größenmäßig sortieren, entstehen oft ausgefranste seidige Strähnen, die an Cirruswolken erinnern. Die Streifen fallen gewissermaßen durch das Wolkenloch hindurch und werden daher im Englischen auch „fallstreaks“ genannt. Aber lange bevor sie die Erdoberfläche erreichen, geraten sie in wärmere und trockenere Luft und sublimieren, d.h. lösen sich in Wasserdampf auf.
Das historische Zusammentreffen des Auftretens von Wolkenlöchern und der Zunahme des Verkehrs hochfliegender Flugzeuge hat bereits früh den Verdacht genährt, dass diese verantwortlich sind für das Phänomen. Obwohl ein direkter Zusammenhang zwischen der Entstehung eines Wolkenlochs und einem durch die Wolke hindurch geflogenen Flugzeug nur schwer nachzuweisen ist, kann man angesichts zahlreicher Hinweise ziemlich sicher sein, dass Flugzeuge, die eine Wolkenschicht durchbrechen, Auslöser für dieses Phänomen sind.
Im Laufe der Zeit wurden hauptsächlich drei Mechanismen gefunden, die für die Entstehung des Wolkenlochs verantwortlich sind:
1. die plötzliche Abkühlung der Luft auf unter -40°C durch die Ausdehnung der Luft innerhalb der Wirbel, die im Bereich der Spitzen von Flugzeugpropellern und/oder der Flügel hervorgerufen werden,
2. aus den Abgasen des Flugzeugs stammende Kristallisationskeime und
3. das Versprühen von Eiskristallen, die vom Raureif stammen, der sich an den exponierten Teilen des Flugzeugs gebildet hat.

 

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Diskussionen

2 Gedanken zu “Hole punch – Eine aufgeschlitzte Wolke

  1. Alles hat Wirkung und man tut daher gut daran, die Effekte des jeweiligen Tuns zu studieren. Vorbei sind eigentlich längst die Zeiten, in denen man das unterlassen kann.

    Verfasst von kopfundgestalt | 20. Dezember 2018, 17:07

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