Eine typische Wolke kann Hunderte Tonnen Wasser enthalten

Eine Schönwetter-Cumuluswolke kann etwa 500 metrische Tonnen flüssiges Wasser enthalten, wenn ihr Volumen ungefähr 1 km³ beträgt. Diese Schätzung ergibt sich aus etwa 0.5 g flüssigem Wasser pro Kubikmeter, multipliziert mit dem gesamten Wolkenvolumen; die Schätzung des Wolkengewichts durch den U.S. Geological Survey (öffnet sich in einem neuen Tab) beruht auf einer solchen Berechnung.

Diese Gesamtmenge klingt nach einer Wassermasse, die gleich herunterfällt. Doch bei der Schätzung wird flüssiges Wasser gezählt, das als winzige Tröpfchen verteilt ist – kein See und keine feste Masse. Der Rest des Wolkenvolumens besteht aus Luft, und diese Luft spielt eine wichtige Rolle dabei, dass die Tröpfchen in der Höhe bleiben.

Zuerst das Wolkenvolumen bestimmen

Wolken haben unregelmäßige Oberseiten und flachere Unterseiten, und ihre Ränder lösen sich allmählich im klaren Himmel auf. Für eine brauchbare Schätzung stell dir eine Schönwetter-Cumuluswolke vor, die etwa 1 km breit, 1 km tief und 1 km hoch ist. Als Würfel betrachtet, hätte sie ein Volumen von ungefähr 1 km³ oder 1 Milliarde m³. Der Leitfaden des National Weather Service zu Wolken (öffnet sich in einem neuen Tab) erklärt, wie aufsteigende feuchte Luft Wolken bildet.

Dieses Modell lässt Unterschiede innerhalb der Wolke außer Acht: Manche Bereiche enthalten mehr Tröpfchen als andere, während sich die dünnen Ränder mit der umgebenden Luft vermischen. Ein durchschnittlicher Wassergehalt für das gesamte Volumen macht die Rechnung überschaubar, ohne zu behaupten, dass jeder Teil der Wolke gleich aussieht oder gleich viel Wasser enthält.

Eine Ausdehnung von 1 km lässt sich gut anhand eines bekannten Bauwerks vorstellen. Der Burj Khalifa ist 828 m (2,720 ft) hoch; stellte man den Turm neben die geschätzte Wolkenbreite, würde er nicht ganz von einer Seite bis zur anderen reichen. Die horizontale Ausdehnung der Wolke ist ein weitläufiges Gebiet über uns, kein Turm, der auf dem Boden steht.

Natürliche Wahrzeichen vermitteln ein weiteres Gefühl für die Größenordnung. Big Daddy Dune ist 325 m (1,070 ft) hoch, etwa 2.8-mal so hoch wie Hyperion, der 116 m (380 ft) hohe Mammutbaum. Ihre unterschiedlichen Silhouetten machen es leichter, die kilometerweite Ausdehnung der Wolke mit Höhen zu vergleichen, die vom Boden aus gemessen werden.

Das Volumen mit dem darin enthaltenen Wasser multiplizieren

Das Modell setzt etwa 0.5 g flüssiges Wasser (öffnet sich in einem neuen Tab) pro Kubikmeter an. Multipliziere diese Menge mit dem Wolkenvolumen von 1 Milliarde m³: 0.5 g/m³ × 1,000,000,000 m³ = 500,000,000 g. Das sind 500,000 kg oder etwa 500 metrische Tonnen flüssiges Wasser.

Man kann der Rechnung auch folgen, indem man sich vorstellt, die Wolke wäre in Würfel unterteilt, deren Kanten jeweils 1 m lang sind. Jeder Würfel enthält nur ein halbes Gramm Wasser, doch das Modell umfasst 1 Milliarde solcher Kubikmeter. Eine kleine Menge, die sich über ein riesiges Volumen verteilt, ergibt eine große Gesamtmenge.

Das ist dieselbe grundlegende Methode wie bei den Schätztipps: Wähle ein Volumen, schätze, wie viel davon in jeder Volumeneinheit enthalten ist, und multipliziere dann. Das Ergebnis ist eine Schätzung allein für das flüssige Wasser. Die Luft, die denselben Raum ausfüllt, ist nicht mitgerechnet.

Die Wolke enthält außerdem eine enorme Menge Luft

Auf Meereshöhe hat ein Kubikmeter Luft eine Masse von etwa 1.2 kg (öffnet sich in einem neuen Tab). Das Modellvolumen von 1 Milliarde m³ würde daher etwa 1.2 Milliarden kg Luft enthalten, also 1.2 Millionen metrische Tonnen. Das ist ungefähr das 2,400-Fache der geschätzten Masse des flüssigen Wassers.

Die Tröpfchen sind in der Luft verteilt; sie verdrängen sie nicht. Feuchte Luft kann außerdem weniger dicht sein als die trockenere Luft in ihrer Umgebung, wie der U.S. Geological Survey erklärt. Wasserdampf ist leichter als die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, die er verdrängt, und auch Temperaturunterschiede beeinflussen, ob Luft aufsteigt oder absinkt.

Die Wolke wird also nicht von einer unsichtbaren Hülle getragen. Sie ist ein Bereich der Atmosphäre, in dem Wassertröpfchen von der bewegten Luft mitgeführt werden. Die Gesamtmasse des Wassers kann groß sein, während jeder Teil der Wolke ein feiner Nebel in einem viel größeren Luftvolumen bleibt.

Warum Hunderte Tonnen Wasser nicht auf einmal herabfallen

Ein typisches Wolkentröpfchen ist etwa 20 Mikrometer breit (öffnet sich in einem neuen Tab). Ein menschliches Haar ist ungefähr 70 µm breit, daher ist jedes Tröpfchen viel kleiner als ein vertrautes Haar. Die Schwerkraft zieht die Tröpfchen nach unten, doch wegen ihrer winzigen Größe bremst der Luftwiderstand ihren Fall; aufsteigende Luftströmungen und Turbulenzen können sie mit der Luft mitbewegen.

Wolken entstehen, wenn feuchte Luft aufsteigt und abkühlt, sodass Wasser zu Tröpfchen kondensiert. Wo sich die Luft bewegt oder trockener wird, verdunsten die Tröpfchen und der sichtbare Rand löst sich auf. Die helle, deutlich erkennbare Kuppe einer Cumuluswolke und ihr zerklüfteter Rand zeugen von wechselnden Luft- und Feuchtigkeitsverhältnissen, nicht von einer festen Umrisslinie.

Wenn Tröpfchen oder Eisteilchen groß genug werden, können sie als Regen oder anderer Niederschlag herabfallen. Dieser Vorgang unterscheidet sich vom Auftrieb von Luftschiffen und Ballons, der auf dem Auftrieb innerhalb einer Hülle beruht. Eine Wolke hat keine Hülle; ihre Tröpfchen bewegen sich mit der sie umgebenden Luft.

Betrachte eine Cumuluswolke vom Boden aus: Ihre weiße Kuppe hebt sich vom blauen Himmel ab, während ihr zerklüfteter Rand immer dünner wird, bis der Nebel aus dem Blickfeld verschwindet.