News: Turbulentes Tröpfchenwachstum
Wissenschaftler rücken dem Phänomen der Topfenbildung mit statistischen Methoden zu Leibe und stellen fest, warum Wolken über dem Land beständiger sind als über dem Meer.
© (Ausschnitt)
Der Durchmesser von Regentropfen variiert erheblich: zwischen einem Zehntel Millimeter bei Nieselregen und einem knappen Zentimeter bei einem heftigen Wolkenbruch. Doch wie erreichen die Tropfen ihre Größe? Wenngleich Forscher wissen, dass die Geburt eines Tröpfchens durch die drei großen "K" – nämlich Keimbildung, Kondensation und Koaleszenz (die Zusammenballung von Flüssigkeitströpfchen) – bestimmt wird, so birgt die Entstehung von Regen doch noch so manches Rätsel.
Ein Problem ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Tröpfchen bilden. Denn zieht man nur die drei fundamentalen Prozesse in Betracht, so würde der gesamte Vorgang viel zu viel Zeit in Anspruch nehmen: Unter normalen Bedingungen würde es rund zwanzig Minuten dauern, bis ein zwanzig Mikrometer großer Tropfen durch Kondensation auf die doppelte Größe angewachsen ist. Eine weitere Stunde später würde dieses durch Aufwinde getragene Wolkentröpfchen eine Größe von 200 Mikrometern erreichen, der Schwerkraft folgen und als Nieselregen niedergehen. Angesichts der Tatsache, dass sich eine Haufenwolke in rund einer halben Stunde leer geregnet hat, eine zu lange Zeitspanne.
Robert McGraw und Yangang Liu vom Brookhaven National Laboratory in Upton versuchten sich nun an einem neuen Modell. Dabei behandelten sie den Keimbildungsprozess der Tröpfchenbildung im Rahmen eines statistischen Ansatzes. So kondensieren in diesem Modell ständig Wassermoleküle zu winzigen Tröpfchen, doch unterhalb einer gewissen kritischen Größe sind diese nicht stabil und verdampfen wieder. Erst wenn sie jenen Schwellwert erreicht haben und sich Kondensation und Verdampfung die Waage halten, wird es energetisch günstiger, weitere Moleküle dem Tropfen hinzuzufügen.
Jetzt wachsen die Tröpfchen im Mittel schneller, da sich nun auch mehrere stabile Tröpfchen zu einem größeren zusammenfinden können. Ihr Modell fütterten die Forscher mit zufälligen Fluktuationen der Kondensations- und Verdampfungsrate, die etwa durch turbulente Strömungen in der Wolke hervorgerufen werden. Ferner steckten sie die Ausgangskonzentration und Größenverteilung der Mikrometer großen Wolkentröpfchen in die Berechnungen. Tatsächlich ließ sich mit diesem Ansatz die reale Entstehungszeit von Nieselregen korrekt berechnen.
Und noch etwas vermochte das Modell zu klären: den Einfluss von Luftverschmutzung durch winzige, luftgetragene Partikel. Diese Aerosole bewirken nämlich einen Konzentrationsanstieg an Tröpfchen in der Luft und vergrößern damit gemäß des Modells den kritischen Radius bei der Tröpfchenbildung. Es dauert also länger, bis sich in Aerosol führenden Wolken genügend Tropfen jenseits der kritischen Größe gesammelt haben, womit diese Wolken stabiler sind und weniger Regen bringen. Dieses Ergebnis passt auch zu dem Phänomen, dass Überlandwolken deutlich langlebiger sind als Exemplare über dem Meer. Der Grund: Über dem Festland fangen sich Wolken in der Regel mehr verschmutzte Luft ein als über dem offenen Wasser.
Ein Problem ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Tröpfchen bilden. Denn zieht man nur die drei fundamentalen Prozesse in Betracht, so würde der gesamte Vorgang viel zu viel Zeit in Anspruch nehmen: Unter normalen Bedingungen würde es rund zwanzig Minuten dauern, bis ein zwanzig Mikrometer großer Tropfen durch Kondensation auf die doppelte Größe angewachsen ist. Eine weitere Stunde später würde dieses durch Aufwinde getragene Wolkentröpfchen eine Größe von 200 Mikrometern erreichen, der Schwerkraft folgen und als Nieselregen niedergehen. Angesichts der Tatsache, dass sich eine Haufenwolke in rund einer halben Stunde leer geregnet hat, eine zu lange Zeitspanne.
Robert McGraw und Yangang Liu vom Brookhaven National Laboratory in Upton versuchten sich nun an einem neuen Modell. Dabei behandelten sie den Keimbildungsprozess der Tröpfchenbildung im Rahmen eines statistischen Ansatzes. So kondensieren in diesem Modell ständig Wassermoleküle zu winzigen Tröpfchen, doch unterhalb einer gewissen kritischen Größe sind diese nicht stabil und verdampfen wieder. Erst wenn sie jenen Schwellwert erreicht haben und sich Kondensation und Verdampfung die Waage halten, wird es energetisch günstiger, weitere Moleküle dem Tropfen hinzuzufügen.
Jetzt wachsen die Tröpfchen im Mittel schneller, da sich nun auch mehrere stabile Tröpfchen zu einem größeren zusammenfinden können. Ihr Modell fütterten die Forscher mit zufälligen Fluktuationen der Kondensations- und Verdampfungsrate, die etwa durch turbulente Strömungen in der Wolke hervorgerufen werden. Ferner steckten sie die Ausgangskonzentration und Größenverteilung der Mikrometer großen Wolkentröpfchen in die Berechnungen. Tatsächlich ließ sich mit diesem Ansatz die reale Entstehungszeit von Nieselregen korrekt berechnen.
Und noch etwas vermochte das Modell zu klären: den Einfluss von Luftverschmutzung durch winzige, luftgetragene Partikel. Diese Aerosole bewirken nämlich einen Konzentrationsanstieg an Tröpfchen in der Luft und vergrößern damit gemäß des Modells den kritischen Radius bei der Tröpfchenbildung. Es dauert also länger, bis sich in Aerosol führenden Wolken genügend Tropfen jenseits der kritischen Größe gesammelt haben, womit diese Wolken stabiler sind und weniger Regen bringen. Dieses Ergebnis passt auch zu dem Phänomen, dass Überlandwolken deutlich langlebiger sind als Exemplare über dem Meer. Der Grund: Über dem Festland fangen sich Wolken in der Regel mehr verschmutzte Luft ein als über dem offenen Wasser.
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