Mainzer Forscher untersuchen im Windkanal, wie Regen entsteht. Die Entschlüsselung dieses komplizierten Vorgangs könnte Wettervorhersagen verbessern – und sie ist eine Voraussetzung für das Regenmachen.
Der Raum erstreckt sich über zwei Stockwerke und ist voll gestopft mit Technik. In einer Ecke sitzt Subir Mitra vor einer viereckigen Säule aus Plexiglas. In der Säule hält der wissenschaftliche Mitarbeiter einen Tropfen in der Schwebe. „Wir haben hier den weltweit einzigen geschlossenen vertikalen Windkanal”, sagt Mitra. Mit ihm wird am Institut für Physik der Atmosphäre der Universität Mainz das Fallen von Regentropfen simuliert. Statt der Tropfen wird die Luft um sie herum bewegt, was an der Physik des Ganzen nichts ändert. In der Säule strömt die Luft mit knapp acht Kilometern pro Stunde nach oben und trägt dabei einen Tropfen von einem halben Millimeter Durchmesser. Mitra korrigiert mit einer Hand ständig die Windgeschwindigkeit. „ Der Tropfen verdampft an seiner Oberfläche und wird deshalb immer leichter”, erklärt er. Um ihn dennoch in der Schwebe zu halten, reduziert Mitra langsam den Aufwind im Rohr. Die Anlage setzt seine Korrekturen in Sekundenbruchteilen um. Das hat seinen Preis: Ein Großteil der ausgeklügelten, rund 1,5 Millionen Euro teuren Technik im Labor ist nötig, um die prompte Reaktion des Apparats zu gewährleisten. Nach wenigen Minuten ist der Tropfen geschrumpft und mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen. Nun will Mitra einen größeren Tropfen in den Windkanal bringen. Mit einer Hand bedient er eine Spritze, die in der Rückwand steckt. An der Spitze der Kanüle bildet sich ein Wasserkügelchen. Da große Tropfen schneller fallen als kleine, dreht Mitra mit der rechten Hand die Windgeschwindigkeit auf rund 35 Kilometer pro Stunde hoch, das Tempo, mit dem Regentropfen normalerweise auf den Boden klatschen. Nach leichtem Klopfen auf die Spritze löst sich ein etwa drei Millimeter dicker Tropfen und tänzelt im Luftstrom. Die Bewegungen rühren von Schwingungen im Tropfen her, der keineswegs die klassische Tropfenform einnimmt. Das Gebilde erinnert eher an den Schirm eines Champignons. Auf seiner Oberfläche schwirren schwarze Punkte herum wie Ameisen: Mitra hat dem Wasser Farbpartikel beigegeben, um die interne Zirkulation des Tropfens besser beobachten zu können. „Ursprünglich wurde der Mainzer Windkanal gebaut, um sauren Regen zu untersuchen”, sagt er. Die Wissenschaftler studierten, wie Regentropfen im Fallen Schadstoffe aufnehmen. Inzwischen nutzen die Forscher den Windkanal auch dazu, eines der Geheimnisse des Wetters anzugehen: Wie entsteht Regen? Diese Frage, so einfach sie klingt, ist bis heute nicht restlos geklärt. Für Regen braucht es Wolken. Und was in einer Wolke geschieht, ist nur schwer zu verfolgen. Hineinschauen kann man nicht, selbst Radaraufnahmen geben Wolken unvollkommen wieder. Denn nur die größeren Tröpfchen in der Wolke reflektieren die Radarstrahlen. Mit dem Flugzeug hineinzufliegen ist zumindest bei Gewitterwolken lebensgefährlich – denn es kann dort zu Turbulenzen mit Windgeschwindigkeiten von 200 Kilometern pro Stunde kommen. Und im Labor lassen sich nur dünne Nebel mit wenigen Kubikmeter Volumen herstellen. Mit ihren natürlichen Vorbildern haben diese Modellwolken kaum etwas gemein. Wolken sind nicht einfach nur feuchte Luft. „Die Luftsäule über einem Quadratmeter Boden enthält in Deutschland zwischen 10 und 50 Kilogramm Wasserdampf”, erklärt Clemens Simmer, Professor für Meteorologie an der Universität Bonn. Davon entfallen auf Wolken normalerweise nicht mehr als 100 Gramm. Selbst Gewitterwolken enthalten pro Quadratmeter Fläche höchstens zwei Kilogramm Wasserdampf. Der große Rest ist unsichtbar. „Der meiste Wasserdampf hängt unter der Wolke”, sagt Simmer. Denn in niedrigen Höhen ist die Luft meist wärmer und kann deswegen viel Feuchtigkeit aufnehmen, ohne dass sich Tröpfchen bilden. Aus unsichtbarem Wasserdampf werden erst dann Wolken, wenn sich die Moleküle zusammenballen, der Dampf also kondensiert. Das geschieht etwa, wenn warme feuchte Luft an kalte Schichten stößt. Es entstehen neblige Schwaden, ähnlich denen, die aus einem heißen Teekessel in die kalte Küchenluft aufsteigen. Der Wasserdampf schlägt sich dabei an Aerosolen nieder – das sind Partikel, die in der Luft schweben. Über den Ozeanen sind es vor allem Salzteilchen, über den Kontinenten Sand und Staub. Ohne Aerosole in der Luft wäre der Himmel immer strahlend blau. Im Labor ist es zwar schon gelungen, Tröpfchen ohne Partikel zu bilden – allerdings nur bei einer Luftfeuchtigkeit von mehreren 100 Prozent. Meteorologen reden von 100 Prozent Luftfeuchtigkeit, wenn auf einer ebenen Wasseroberfläche die gleiche Menge an Wasser verdunstet wie kondensiert. Verdunstet mehr, überschreitet die Luftfeuchtigkeit 100 Prozent. In Wolken, in denen sich in hiesigen Breiten neben Wasser in flüssiger Form meist auch Eispartikel finden, beträgt die Luftfeuchtigkeit nur einige Prozent mehr als 100 Prozent. An den Wolkentröpfchen zieht – wie an den viel größeren Regentropfen – die Schwerkraft. Doch die Wolkentröpfchen haben einen relativ hohen Luftwiderstand. Daher genügt bereits etwas Aufwind, um sie schweben zu lassen. In Wolken ist die Luft immer in Bewegung – allerdings nicht so wohlgeordnet wie im Mainzer Windkanal, sondern äußerst turbulent. Tröpfchen und Eiskristalle werden chaotisch durcheinander gewirbelt, wobei manche miteinander kollidieren, zusammenfließen und so größere Tropfen bilden. Sind sie groß genug, werden sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten und fallen als Niederschlag in Richtung Boden. Zuweilen sind sie zuvor mehrfach in der Wolke auf- und abgeflogen. Wie die Tröpfchen zu Regentropfen heranwachsen, ist äußerst kompliziert, sagt Rupprecht Jaenicke, Professor für Meteorologie an der Universität Mainz, und meint augenzwinkernd: „Man muss sich wundern, dass es überhaupt regnet.” Wissenschaftler am Weizman Institute of Science im israelischen Rehovot haben herausgefunden, dass in manchen Wolken Windturbulenzen wie kleine Zentrifugen wirken und die Tröpfchen an den Rand von Wirbeln schleudern. Man vermutet, dass dieser Prozess die Zahl der Kollisionen zwischen kleinen Tropfen erhöht und die Bildung größerer Tropfen erleichtert, die dann ausregnen. Auf diese Weise entsteht etwa sommerlicher Nieselregen in Mitteleuropa. Die meisten Niederschläge kommen weltweit allerdings durch so genannten kalten Regen zustande: Bei Temperaturen unterhalb von minus 20 Grad bilden sich um Aerosole Eiskristalle, die Wasser wesentlich effektiver sammeln als flüssige Tropfen. An der Oberfläche dieser Eiskerne frieren Wasserdampf aus der Luft und Wolkentröpfchen an. Je nach den Bedingungen entstehen so Schneeflocken oder Graupel. Die sind in wissenschaftlichen Modellen und Experimenten noch schwerer zu erfassen, da sie sich in Form, Größe und Flugbahn stark unterscheiden. Bei heftigem Aufwind können die Eiskerne zu Hagelkörnern heranwachsen. Ist es warm genug, schmelzen die Eiskristalle und -klümpchen auf ihrem Weg zum Boden und kommen dort oft als kalter Regen an. Welche Formen die Eiskerne annehmen und wie sie wachsen, vollziehen Wissenschaftler im Mainzer Windkanal nach, der sich seit dem letzten Umbau auf minus 30 Grad abkühlen lässt. Ebenso spielen sie das Schmelzen der Eiskerne durch. Dabei haben sie festgestellt, dass aus einem Eisklümpchen ein Regentropfen entsteht. Reicht der Tropfen allerdings an einen Durchmesser von rund fünf Millimetern heran, sprengt ihn der Luftwiderstand in mehrere kleinere auf. Für die Vorhersage von Regenwetter hilft dieses Wissen nicht viel weiter. Das Vorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes in Offenbach etwa hat eine Maschenweite von sieben Kilometern. Im Klartext heißt dies nichts anderes, als dass der Computer Wetterdaten nur für Punkte an der Erdoberfläche auswirft, die jeweils sieben Kilometer Abstand voneinander haben. Experimente wie die im Mainzer Windkanal dienen dazu, dass grundlegende physikalischen Prozesse, die eigentlich durch das Maschennetz fallen würden, doch mathematisch erfasst und in den Modellen berücksichtigt werden können. Welche Probleme die Modellierung noch immer bereitet, deutet die Aussage des Bonner Meteorologen Simmer an: „ Wolken können wir nicht modellieren.” Zwar gibt es Ansätze, mit feinmaschigen Netzen einzelne Exemplare durchzurechnen. Doch dazu braucht man enorme Rechenzeiten. Aus diesem Mangel erklärt sich auch die Tatsache, dass Meteorologen die Temperaturen der folgenden Tage an einem Ort meist gut prognostizieren können, bei den Niederschlägen jedoch nicht selten danebenliegen. Regen sagen Meteorologen einigermaßen vage vorher, indem sie die Entwicklung so genannter Fronten berechnen – das sind Zonen, in denen unterschiedlich warme Luftmassen aufeinander treffen. Schiebt sich etwa ein Warmluftgebiet auf kühlere Bodenluft, kommt es zu Schichtbewölkung, die oft zu Dauerregen führt. Bricht kalte Luft in der Höhe ein, türmt sich die Feuchtigkeit warmer Bodenluft zur Schauerbewölkung auf. „Obwohl die Modelle heute feinmaschiger sind als früher, hat sich die Vorhersage von Niederschlägen nicht verbessert”, resümiert Simmer. Verregnete Gartenpartys wird es demnach auch künftig geben. Und – weit gravierender: Auch die künftige Entwicklung der Niederschlagshäufigkeit lässt sich noch nicht prognostizieren. Anders als im Zuge des verheerenden August-Hochwassers zu hören war, sind Klimaforscher noch nicht in der Lage, die Erwärmung der Erdatmosphäre als Ursache für den vorausgegangenen tagelangen Starkregen dingfest zu machen (Interview auf Seite 47). Steigen die Temperaturen, so verdunstet mehr Wasser. Klar ist allerdings: Sollte es als Wasserdampf die Atmosphäre bereichern, nimmt der Treibhauseffekt zu, da Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas ist. Verändert sich dadurch auch die Bewölkung, kommt es zu überlagernden Effekten. Zwei Beispiele: Faserige Cirrus-Wolken in großer Höhe verstärken den Treibhauseffekt. Denn Sonnenstrahlen durchdringen diese Wolken weitgehend ungehindert, die Wärmeabstrahlung der Erde wird hingegen eingeschränkt. Tief hängende wasserreiche Wolken verringern den Treibhauseffekt. Sie blockieren und reflektieren einen Teil der Sonnenstrahlung. Für das künftige, vermutlich wärmere Klima ist es entscheidend, in welcher Form verdunstetes Wasser in der Atmosphäre bleibt und wie lange. Heute ist es nach zehn Tagen komplett ausgetauscht: Was an der Erdoberfläche verdampft, ist spätestens nach dieser Zeit wieder als Niederschlag am Boden. In welcher Form die Feuchtigkeit in der Luft auftritt, beeinflusst die Menschheit auch durch die von ihr emittierten Abgaspartikel, denn sie tragen zur Wolkenbildung bei. Schätzungen zufolge kühlen anthropogene Aerosole heute das Klima um bis zu zwei Grad ab. Ob die Abgaspartikel auch zu mehr Niederschlag führen, ist strittig. Denn je mehr Partikel, an denen die Feuchtigkeit kondensieren kann, in der Luft schwirren, desto kleinere Tröpfchen entstehen. Da die Wirtschaft vor allem unter der Woche unter Dampf steht, sollte sich ein typischer Wochengang der Niederschläge erkennen lassen. Doch auch dieser Sachverhalt ist alles andere als geklärt. „Manche Studien belegen, dass es unter der Woche mehr regnet als am Wochenende”, sagt Eszter Barthazy von der ETH Zürich, „aber andere behaupten das Gegenteil.” Auch wenn die Entstehung des Regens für die Forschung noch viele Geheimnisse birgt, sind Menschen längst dabei, den Regen künstlich zu beeinflussen. So gab es immer wieder Versuche, Wolken per Flugzeug mit Kondensationskeimen anzureichern, um sie zum Abregnen zu bringen. Mit magerem Ergebnis: Bis vor kurzem galten alle Versuche als gescheitert. Jetzt schüren Experimente in Mexiko, Südafrika und Thailand neue Hoffnung. Um zu entscheiden, ob das Besprühen der Wolken überhaupt einen Effekt hat oder ob es sowieso geregnet hätte, orientierten sich Meteorologen um Roelof T. Bruintjes vom Zentrum für Atmosphärenforschung in Boulder, Colorado, an Doppelblindstudien: In Mexiko durften Piloten erst nach dem Start versiegelte Umschläge öffnen, denen sie entnahmen, ob sie die durchflogene Wolke mit mikroskopisch kleinen Salzpartikeln impfen sollten oder nicht. Nach zwei Versuchsjahren standen 48 geimpfte Wolken 52 nicht präparierten gegenüber. Das Ergebnis: Aus den behandelten Wolken hatte es deutlich mehr geregnet als aus den Kontrollwolken. Ein anderer Traum der Forscher ist es, Hagelschlag zu verhindern. Hagelkörner bilden sich, wenn in einer Wolke relativ wenige Eiskeime vielen Wassertröpfchen gegenüberstehen, die sie aufsammeln. Könnte man die Zahl der Eiskristalle vermehren, ließe sich die Größe der Körner verringern, argumentieren Forscher immer wieder. „Vor allem in den siebziger und achtziger Jahren war das weltweit ein wichtiges Thema”, sagt Eszter Barthazy. „Heraus kam dabei nichts.” Schon gibt es neue Versprechungen. Jetzt sollen sogar tropische Wirbelstürme durch menschlichen Eingriff verhindert werden. Im vergangenen Jahr kündigte die Firma Dyn-O-Mat in Florida an, mit einem speziellen Pulver Hurrikane im Keim ersticken zu können. Das Pulver soll Wolken die Feuchtigkeit nehmen, aus der die Stürme ihre Kraft beziehen. In einem Versuch sei es bereits gelungen, eine knapp zwei Kilometer lange Gewitterwolke auf diese Weise aufzulösen, behauptet Peter Cordani, der Chef von Dyn-O-Mat. Voll gesogen mit Wasser sei das Pulver zu Boden gefallen. Auch Militärs sähen es gerne, wenn sie das Treiben von Wolken und Niederschlag bestimmen könnten. Vor sechs Jahren entwarf die US-Air Force ein Szenario, in dem Flugzeuge Wolken impfen, um Gewitter auf den Feind hereinbrechen zu lassen oder Schleierwolken als Sichtschutz über die eigenen Truppen auszubreiten. Titel der Studie: „Das Wetter als Verbündeter: Im Jahr 2025 die Hoheit über das Wetter haben.” Angesichts der jüngsten Hochwasserkatastrophen wäre es vordringlicher zu verstehen, ob verheerende Starkregen auf eine üble Laune des Wettergotts zurückzuführen sind oder ob sie wirklich von einer deutlichen Veränderung von Witterung und Klima künden.
Kompakt
In Mainz steht ein weltweit einzigartiger Windkanal. Er hilft Atmosphärenphysikern, der Entstehung von Regen auf die Spur zu kommen. Die komplexen Niederschlagsprozesse sind ein wesentlicher Grund dafür, warum Wetter- und Klimaprognostiker immer wieder falsch liegen. Seit Jahren versuchen Experten, Regen oder Hagelbildung zu beeinflussen. Die Ergebnisse sind umstritten.
Wolfgang Blum
