Die verborgene Anatomie der Wolken Rätsel gelöst? Entstehung von Regen in Wolken ohne Eis

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Die Entstehung von Regen in Wolken ohne Eis bleibt eines der größten ungelösten Rätsel der Atmosphärenwissenschaft. Forschende haben nun bisher unsichtbare Strukturen in flachen Cumulus-Wolken entdeckt. Sie fanden Bereiche von weniger als einem Meter, in denen sich Wolkentröpfchen clustern. Dieses Clustering bietet ideale Bedingungen für die Kollision von Tröpfchen, was wiederum mit hoher Wahrscheinlichkeit Niederschlag auslöst.

Flache Wolken machen einen wesentlichen Anteil der Gesamtheit aller globalen Wolkentypen über Ozeanen und Land aus. Sie enthalten keine Eiskristalle, die als Keime für Niederschlag dienen könnten. Stattdessen bestehen insbesondere flache Cumulus-Wolken ausschließlich aus winzigen flüssigen Wassertropfen. Obwohl sie innerhalb von Minuten Regen erzeugen können, ist bislang nicht geklärt, was die Bildung größerer Regentropfen verursacht – um auf dieser Weise letztendlich Niederschläge vorhersagen zu können. Bevor es regnen kann, müssen kleine Tröpfchen erst miteinander kollidieren, um einen größeren Tropfen zu bilden, der schließlich zu Boden fällt. Die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) untersuchten in ihrer Studie, wie diese anfänglichen Kollisionen zustande kommen können.

Wir haben die Struktur einer flachen, warmen Wolke mit hoher räumlicher Auflösung untersucht.

Mohsen Bagheri, Gruppenleiter am MPI-DS und einer der Leiter der Studie

 „Es ist wie ein 3D-Mikroskop in den Wolken zu nutzen, das Partikelgröße und -verteilung untersucht“, fährt Bagheri fort. Bei der Partikelmessung mit Flugzeugen lassen deren hohe Geschwindigkeiten nur wenige Messungen in größeren Abständen zu. Im Gegensatz dazu sind Drohnen in ihrer Flugzeit und ihren Einsatzbedingungen limitiert und können zudem Turbulenz verursachen, was die Wolkenstruktur verändert. Mithilfe eines Helikite-Ballons entwickelten Forschende des MPI-DS um Gruppenleiter Mohsen Bagheri und Direktor Eberhard Bodenschatz daher eine einzigartige Messplattform, um die Wolkenstruktur mit beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen.

Der CloudKite: Ein einzigartiges Labor in der Luft

Das Herzstück dieses Observatoriums bilden zwei maßgeschneiderte optische Bildgebungssysteme, die mit leistungsstarken Lasern und Hochgeschwindigkeitskameras arbeiten. Eines davon ist in der Lage, die dreidimensionalen Positionen und Größen einzelner Wolkentröpfchen 75-Mal in der Sekunde zu rekonstruieren und ist damit eines der schnellsten jemals entwickelten holografischen Instrumente in der Luft. Das andere System misst die Turbulenz innerhalb von Wolken und ist das erste Partikelbild-Velozimetrie-System in diesem Einsatzbereich. Beide Instrumente arbeiten autonom, sodass sie gleichzeitig die Mikrophysik der Wolken und Turbulenz im Maßstab von Mikrometern bis Kilometern erfassen können. Die CloudKite-Plattform gleitet dabei mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 10 Metern pro Sekunde durch die Wolken – deutlich langsamer als Forschungsflugzeuge.

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„Zusammen mit der hohen Bildaufnahmerate des Instruments ermöglicht dies Messungen im Abstand von 12 Zentimetern – etwa 250-mal häufiger als bei früheren Beobachtungen aus der Luft“, sagt Eberhard Bodenschatz. „Der CloudKite eröffnet somit ein gänzlich neues Beobachtungsfenster in die Wolken“, fasst er zusammen.

Versteckte Hotspots, in denen Regen entstehen kann

Anhand der Daten des CloudKite rekonstruierten die Forschenden die innere Struktur eines 55 Meter langen Abschnitts einer flachen Cumulus-Wolke. Die Tröpfchen waren nicht gleichmäßig verteilt, sondern bildeten stark lokalisierte „Hotspots“ mit einem Durchmesser von nur etwa einem Meter oder sogar weniger. In diesen Bereichen liegen die Tröpfchen viel näher beieinander als an anderen Stellen in der Wolke, was die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und der Bildung größerer Tropfen deutlich erhöht.

Da die Tröpfchen dort clustern, werden Kollisionen viel wahrscheinlicher. Diese lokal begrenzten Hotspots könnten daher die Stellen sein, an denen es in flachen Cumuluswolken zu regnen beginnt.

Birte Thiede, Erstautorin der Studie, MPI-DS

Diese Beobachtungen stellen die seit Langem bestehende Annahme infrage, dass Tröpfchen nur schwach, aber gleichmäßig verteilt clustern. Stattdessen sprechen die Ergebnisse dafür, dass Wolken eine verborgene innere Struktur besitzen, die bislang unentdeckt war.

Klimatische Vorhersagen verbessern

Das Team untersucht derzeit, wie Turbulenz mit diesen lokalen Clustering-Hotspots zusammenhängt. Zukünftige Feldkampagnen mit dem CloudKite-Observatorium sind in Amazonien, an der Ostsee und in Nordfinnland geplant. Warme Wolken sind für einen Großteil des Niederschlags auf der Erde verantwortlich sind – insbesondere in den Tropen – und spielen somit eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Energiehaushalts der Erde.

Ihre Lebensdauer und ihre Fähigkeit, Sonnenlicht zurück ins All zu reflektieren, hängen entscheidend davon ab, wie effizient sich Wolkentröpfchen zu Regentropfen entwickeln – dies ist eine der größten Unsicherheiten bei Klimaprognosen. „Die Aufdeckung der verborgenen Struktur warmer Wolken wird zu besseren Beschreibungen der Regenbildung und genaueren Wettervorhersagen führen“, fasst Mohsen Bagheri zusammen.

Originalveröffentlichung: Birte Thiede, Michael L. Larsen, Freja Nordsiek, Oliver Schlenczek, Yewon Kim, Eberhard Bodenschatz, and
Gholamhossein Bagheri: Highly localized droplet clustering in shallow cumulus clouds. Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol. 123, No. 32, Aug 2026