Ob in den Tropen oder hier bei uns: Ein Großteil des Regens auf der Erde fällt aus tiefhängenden Cumuluswolken. Doch wie Niederschlag in diesen warmen, eisfreien Regenwolken entstehen kann, ist ein seit Jahrzehnten ungelöstes Rätsel. Klar ist, dass dafür die winzigen Wolkentröpfchen kollidieren und so weit heranwachsen müssen, dass sie den Luftwiderstand überwinden und Richtung Boden fallen. Doch wie sich diese Regentropfen ohne Eiskristalle als Kondensationskeime innerhalb von wenigen Minuten bilden können, ist ein noch immer ungelöstes Rätsel.
Das Problem: Ab einer Größe von rund 30 bis 80 Mikrometern verlangsamt sich das Wachstum der Wolkentropfen und sie kollidieren kaum noch miteinander. „Die entscheidende Frage ist daher, wodurch die Tropfen diesen ‚Flaschenhals‘ überwinden und Regen entsteht“, erklären Birte Thiede vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und ihre Kollegen. Naheliegend wäre, dass es im Inneren dieser tiefen Regenwolken Turbulenzen gibt, die die Wolkentropfen trotz dieses Engpasses zur Kollision bringen.
Ein „Wolkendrache“ als Messwerkzeug
Doch obwohl Meteorologen seit Jahrzehnten versuchen, das Verhalten der Wolkentröpfchen in den warmen Regenwolken zu entschlüsseln, blieb der Mechanismus unbewiesen. Einer der Gründe dafür waren die Messmethoden: Flugzeuge können zwar große, hochauflösende Messinstrumente in die Wolken bringen, aber ihre hohe Geschwindigkeit verhindert kleinräumige Messungen. Drohnen bieten zwar mehr Möglichkeiten. Sie können aber nur kleine Geräte tragen und erzeugen durch ihre Rotoren selbst Turbulenzen. Dies macht genaue Messungen der Luftbewegungen in der Regenwolke unmöglich.
Eine Lösung für dieses Dilemma haben nun Thiede und ihr Team gefunden: Sie nutzten einen am Max-Planck-Institut entwickelten Ballondrachen für ihre Wolkenmessungen. Dieser „CloudKite“ besteht aus einem Drachen, der durch einen Heliumballon in der Luft gehalten wird und mehrere Messinstrumente bis in 1,4 Kilometer Höhe bringen kann. Weil der „Wolkendrache“ mit rund zehn Metern pro Sekunde relativ langsam durch die Wolke gleitet, verursacht er kaum Turbulenzen und kann selbst kleinräumige Strukturen gut erfassen.
Vom Forschungsschiff aus lassen Forschende die Ballondrachen steigen und ziehen sie dann langsam durch die Wolken. — © MPI für Dynamik und Selbstorganisation
Blick auf kleinste Tröpfchen und Turbulenzen
Herzstück dieses fliegenden Observatoriums sind neben klassischen Wettersensoren zwei optische Bildgebungssysteme mit leistungsstarken Lasern und Hochgeschwindigkeitskameras. Die erste Kamera kann die Größe und dreidimensionale Position einzelner Wolkentröpfchen 75-mal pro Sekunde erfassen. „Dies ermöglicht Messungen im Abstand von 12 Zentimetern – etwa 250-mal häufiger als bei früheren Beobachtungen aus der Luft“, erklärt Tiedes Kollege Eberhard Bodenschatz.
Das zweite optische Instrument am Ballondrachen ist ein sogenanntes Partikelbild-Velocimeter - es misst die Turbulenz innerhalb der Regenwolke anhand der Bewegungen kleinster Teilchen. Beide Instrumente zusammen können so die Mikrophysik und Turbulenz der Wolke im Maßstab von Mikrometern bis Kilometern erfassen. „Der CloudKite eröffnet somit ein gänzlich neues Beobachtungsfenster in die Wolken“, sagt Bodenschatz.
Für ihre Studie ließen die Forschenden ihren Wolkendrachen vor der Küste von Barbados steigen und zogen ihn an einer langen Leine hinter ihrem Forschungsschiff her. Die CloudKite-Plattform bewegte sich dadurch langsam durch die flachen Cumuluswolken dieser Region. Dadurch gelang es dem Team, die innere Struktur dieser tiefen Regenwolken so detailliert wie nie zuvor zu untersuchen.
Verborgene „Klumpen“ in der Regenwolke
Die Analysen enthüllten Überraschendes: Während frühere Messungen meist eine eher gleichmäßige Verteilung der Wolkentröpfchen innerhalb der Wolke nahelegten, lieferte der Ballondrache ein anderes Bild. Seine hochauflösenden Messdaten zeigen, dass die Wolkentröpfchen stark lokalisierte „Hotspots“ bilden – Bereiche von weniger als einem Meter Größe, in denen die Tropfen deutlich dichter beieinander schweben. „Das hier beobachtete Clustering ist fünf- bis zehnmal stärker als zuvor berichtet“, schreiben Thiede und ihre Kollegen.
Demnach sind die warmen Regenwolken in ihrem Inneren deutlich stärker und unregelmäßiger strukturiert als zuvor angenommen. Weil diese Hotspots der Tröpfchendichte aber relativ klein sind, konnten sie mit den zuvor eingesetzten Messmethoden nicht entdeckt werden. Was diese Verdichtungen verursacht, konnten die Forschenden allerdings noch nicht eindeutig klären. Erste Analysen deuten aber darauf hin, dass dafür nicht Merkmale der Tröpfchen selbst verantwortlich sind, sondern eher kleinere Luftverwirbelungen innerhalb der Regenwolke.
Tröpfchen-Hotspots als Regenmacher?
Das Entscheidende jedoch: Diese bisher verborgene innere Struktur der warmen Regenwolken könnte erklären, wie aus ihren Wolkentröpfchen Regen wird. „Da die Tröpfchen sich dort ballen, werden Kollisionen viel wahrscheinlicher“, sagt Thiede. „Diese lokal begrenzten Hotspots könnten daher die Stellen sein, an denen es in flachen Cumuluswolken zu regnen beginnt.“ Niederschläge aus den warmen Regenwolken gehen demnach wahrscheinlich auf diese kleinräumigen „Unregelmäßigkeiten“ in der Tropfenverteilung zurück.
Damit könnten die Forschenden das jahrzehntealte Rätsel der warmen Regenwolken gelöst haben. Allerdings: Noch sind einige Fragen offen, beispielsweise wie genau die Tropfen-Hotspots in der Wolke entstehen und was bestimmt, wann und wo sich eine solche Tropfenverdichtung bildet. Thiede und ihr Team haben bereits weitere Feldkampagnen mit dem CloudKite-Observatorium geplant, um diese Fragen zu klären.
„Die Aufdeckung der verborgenen Struktur warmer Wolken wird zu besseren Beschreibungen der Regenbildung und genaueren Wettervorhersagen führen“, erklärt Seniorautor Gholamhossein Bagheri.
Quelle: Birte Thiede (Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Göttingen) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; doi: 10.1073/pnas.2602976123
