Von "warmen Nasen" und unterkühlten Tropfen

Eine Fragestellung, die sich mit der Erscheinungsform des Niederschlages beschäftigt, nämlich „Wann schneit es eigentlich?“ bzw. „Wie bestimmt man eigentlich die Schneefallgrenze?“, wurde Mitte Dezember vergangenen Jahres in einem Thema des Tages bereits behandelt.

Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt bei einer Aussage darüber, in welcher Form oder genauer in welchem Aggregatzustand der Niederschlag fällt und was damit am Boden passiert, ist die Betrachtung der Temperatur- und Feuchteverhältnisse in der Atmosphäre bzw. in dem Bereich der Atmosphäre, in dem der Niederschlag gebildet wird und durch den er zu Boden fällt. Und dann schließt sich natürlich die Frage an, was passiert mit dem Niederschlag beim Auftreffen auf den Erdboden.

Niederschlag wird in Bereichen der Atmosphäre gebildet, in denen Sättigung herrscht – wichtig dabei sind die Temperaturverhältnisse in diesem Bereich. Die Bildung von Niederschlag findet im Wesentlichen über die Eisphase statt und wird mit dem sogenannten Bergeron-Findeisen-Prozess beschrieben: Große Tropfen werden in Mischwolken in einem Temperaturbereich zwischen -10 und -35 Grad gebildet, in denen Wassertröpfchen und Eiskristalle nebeneinander existieren. Die Eiskristalle wachsen auf Kosten der Wassertröpfchen an, werden immer größer und fallen schließlich irgendwann zu Boden. Fallen diese Eiskristalle dann durch warme Luftschichten über dem Gefrier- bzw. Schmelzpunkt von 0 Grad, schmelzen sie und kommen als (große) Regentropfen am Boden an.

Ob allerdings ein Schmelzen stattfindet, liegt am Temperaturverlauf in der Atmosphäre. Dieser kann insbesondere im Winterhalbjahr natürlich auch unterhalb von 0 Grad verbleiben oder nur vorübergehend mal darüber liegen: Liegt die Temperatur in der gesamten unteren Atmosphäre, durch die die Eiskristalle fallen, unterhalb der 0-Grad-Marke, kommen auch Eiskristalle am Boden an, es fällt also Schnee. Steigt die Temperatur zwar über den Gefrierpunkt, aber nur in einem gewissen Bereich oder kurzzeitig, kommt es hinsichtlich der Niederschlagsphase am Boden entscheiden auf die Größe der „Schmelzschicht“ und auf deren Lage bzw. Höhe in der Atmosphäre an.

Und hier sind wir dann endlich bei dem in der Überschrift erwähnten Begriff der „warmen Nase“. Schaut man sich nämlich den Verlauf der Temperatur mit der Höhe an (Stichwort Vertikalprofil oder Radiosondenmessung), so sieht eine warme Schicht mit Temperaturen über 0 Grad, die nicht am Boden aufliegt (siehe Abbildung rechts), aus wie eine Nase… Ist diese warme Nase groß genug, schmelzen die durch diese warme Schicht fallenden Eiskristalle und es werden Wassertropfen daraus. Unterhalb der warmen Nase kann nun die Luft über dem Gefrierpunkt temperiert sein, dann bleiben es bis zum Boden warme Regentropfen. Gehen die Temperaturen unterhalb der Nase wieder auf unter 0 Grad zurück, ergeben sich unterkühlte Wassertropfen. Ist die sogenannte kalte Grundschicht sehr mächtig, können die unterkühlten Wassertropfen auch wieder gefrieren, dann bilden sich allerdings keine schönen Eiskristalle mehr, sondern es entstehen Eiskörner.

Findet die Bildung von Niederschlagsteilchen in einer Umgebung statt, die wärmer ist als -10 Grad, z. B. in einer relativ „tiefen“ Stratusbewölkung oder in einer Hochnebelschicht (siehe Abbildung Mitte), dann erfolgt die Bildung im Wesentlichen ohne Eisphase. Es sind also keine Eispartikel vorhanden, die auf Kosten der Wassertröpfchen anwachsen, daher entstehen viele kleine Tröpfchen. Am Boden kommen diese dann als kleintropfiger Regen bzw. Sprühregen an. Auch für Sprühregen muss besonders im Winterhalbjahr das Temperaturprofil der „durchflogenen“ Luftschicht berücksichtig werden. Herrschen in der gesamten Schicht Temperaturen unterhalb von 0 Grad, handelt es sich um unterkühlte Tröpfchen, die gegebenenfalls zu gefrierendem Sprühregen führen können.

Nicht zuletzt ist auch die Temperatur des Bodens, auf den der Niederschlag fällt, von Bedeutung und damit die „Wettervorgeschichte“: Zu Beginn des Winters mit noch warmen Böden passiert beim Auftreffen unterkühlter Tropfen nichts. Mit fortschreitender Jahreszeit und nach den ersten Frostphasen gehen die Temperatur im Boden zurück, nach einer längeren Frostperiode dringt der Frost mehr und mehr in den Boden ein. Die Wärmekapazität des Bodens ist deutlich höher als die der Luft, d.h. er reagiert träger auf Temperaturänderungen der darüberliegenden Luft und es dauert so wie beim langsameren Abkühlen des Bodens auch wieder länger, bis dieser sich erwärmt. Fällt nun also Regen oder Sprühregen auf gefrorenen Boden, kann sich eine Eisschicht und damit Glatteis bilden. Man spricht hier auch von gefrierendem Regen oder Sprühregen. Das ist besonders tückisch, wenn die Lufttemperatur (und das Autothermometer) bereits einige Plusgrade zeigt, der Frost aber noch im Boden „steckt“. Besonders rasant geht dieser Gefrierprozess bei den beschriebenen unterkühlten Tropfen, die beim Auftreffen auf kalte Gegenstände oder den kalten Erdboden spontan gefrieren und so zu erheblicher Glätte führen können. Der Boden oder auch kalte Gegenstände wirken hier wie Eiskerne in den Wolken, die das Gefrieren wie ein Katalysator begünstigen.

Dipl.-Met. Sabine Krüger

Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 17.01.2022