Wolkenmikrophysik

Wolkenmikrophysik ist das Teilgebiet der Atmosphärenwissenschaften, das die mikroskopischen Prozesse untersucht, durch die Wolken Wassertröpfchen, Eiskristalle und andere Partikel bilden, wachsen und sich verändern. Ziel ist es zu verstehen, wie Wolkenstrukturen aus thermodynamischen Bedingungen, Feuchtigkeit, Temperatur und der Anwesenheit von Aerosolen entstehen und wie diese Prozesse Niederschlag beeinflussen.

Zu den zentralen Prozessen in der Flüssigphase gehören Kondensation und Verdunstung, Diffusion von Wassermolekülen und die Entwicklung der Tröpfchengrößenverteilung, beeinflusst von Supersättigung und der Anwesenheit von Kondensationskernen. Das Wachstum erfolgt durch Diffusion und Koaleszenz, beschrieben durch mikrophysikalische Gleichungen oder parameterisiert in Bulk- oder Bin-Mikrophysik.

Im Eisbereich spielen Prozesse wie Deposition, heterogene Eiskristallbildung, Riming und Aggregation eine Rolle. Eiskristalle wachsen durch direkte Ansammlung von Wasserdampf, durch Zusammenballung und durch Schmelzprozesse. Die Schneefallbildung hängt von Eisnukleationspartikeln (INP) und Umgebungsbedingungen ab.

Methodisch verbinden Wolkenmikrophysik Messungen, Laborexperimente und Modelle. In-situ-Messungen an Flugzeugen liefern Tropfen-/Kristallgrößenverteilungen und Ladung, während Fernerkundung (Radar, Lidar) Wolkenstrukturen erfasst. Numerische Modelle verwenden Mikrophysik-Schemata, von einfachen Bulk-Parameterisierungen bis zu bin- oder spektralen Mikrophysikansätzen.

Anwendungsbereiche umfassen Wettervorhersage, Klimamodellierung und Grundlagenforschung zur Aerosol-Wolken-Wechselwirkung. Zentrale Herausforderungen bleiben die Realisierung konsistenter Prozesse über verschiedene Skalen und die Quantifizierung von Unsicherheiten in der Niederschlagsbildung.