Caroline Muller betrachtet Wolken anders als die meisten Menschen. Wo andere bauschige Marshmallows, zartes Zuckerwatte-Geflecht oder donnernde graue Gebilde über sich hinwegziehen sehen, strömen für Muller Flüssigkeiten und Gase durch den Himmel. Sie visualisiert, wie Luft auf- und absteigt, sich erwärmt und abkühlt, spiralt und wirbelt und dabei Wolken und Stürme formt.

Doch Muller, Klimawissenschaftlerin am Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg, untersucht solche atmosphärischen Rätsel in den letzten Jahren immer dringlicher. Während unser Planet durch den Klimawandel heißer und heißer wird, werden Stürme intensiver und entladen teilweise zwei- oder gar dreimal so viel Regen wie erwartet. So geschehen im März 2025 im argentinischen Bahía Blanca: Fast die Hälfte des durchschnittlichen Jahresniederschlags fiel innerhalb von weniger als zwölf Stunden – verheerende Überschwemmungen waren die Folge.

Atmosphärenfachleute nutzen seit Langem Computersimulationen, um die Dynamik von Luft und Feuchtigkeit nachzuvollziehen, die verschiedene Arten von Stürmen hervorbringt. Doch bestehende Modelle erklären nicht vollständig, warum diese heftigeren Stürme auftreten. Schon seit rund 200 Jahren ist bekannt, dass wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kühlere – etwa sieben Prozent mehr pro Grad Celsius Erwärmung.

Niederschlagsereignisse, die Fachleute in Modellen und Wetterbeobachtungen sehen, übertreffen allerdings die anhand dieses Wertes erwartete Zunahme weit. Und solche Stürme können schwere Überschwemmungen verursachen, wenn starker Regen auf bereits gesättigte Böden fällt oder auf feuchte Hitzewellen folgt. Um zu erklären, was es mit diesem unerwarteten Befund auf sich hat, könnte es helfen, Wolken und die Art, wie sie sich zusammenfinden, besser zu verstehen.

Das Innenleben der Wolken

Eine wachsende Sammlung von Forschungsarbeiten, angestoßen in den 2010er Jahren von Muller selbst, zeigt eine Reihe kleinskaliger Prozesse auf, die Klimamodelle bisher übersehen hatten. Diese Prozesse beeinflussen, wie Wolken entstehen, sich in Gruppen sammeln und bestehen bleiben – auf eine Weise, die mutmaßlich Starkregen verstärken und größere, länger anhaltende Unwetter antreiben kann. Wolken haben ein »Innenleben«, sagt Muller, »das sie stärken oder ihnen helfen kann, länger zu überleben«.

Andere Fachleute sind davon noch nicht überzeugt. Die Computersimulationen, die Forscher zur Untersuchung von Wolken nutzen, reduzieren die Erde auf ihre einfachste und glatteste Form. Sie bilden die wesentliche Physik ab, ähneln aber sonst kaum der realen Welt.

Nun jedoch scheint ein tieferes Verständnis in Reichweite. Hochauflösende globale Klimamodelle können endlich Wolken und die aus ihnen hervorgehenden zerstörerischen Stürme im planetaren Maßstab simulieren. Damit zeichnen sie für Wissenschaftler ein realistischeres Bild. Wenn sie Wolken besser verstehen, können sie auch extreme Niederschläge besser vorhersagen, so die Hoffnung der Fachleute. Das gilt insbesondere für die Tropen, wo einige der heftigsten Gewitter auftreten und Niederschlagsprognosen für die Zukunft am unsichersten sind.

Alle Wolken bilden sich, wenn feuchte Luft aufsteigt. Ein Berg kann anströmende Luft nach oben ablenken; eine Kaltfront wärmere Luft nach oben drücken. Ein Prozess namens Konvektion lässt ebenfalls Wolken entstehen: Wenn Sonnenlicht, warmer Boden oder warmes Wasser die Luft von unten erhitzen, beginnt die Atmosphäre sich umzuwälzen. Die warme Luft steigt dann auf, kühlt ab, und der Wasserdampf, den sie mit sich führt, kondensiert zu Tropfen. Dieser Kondensationsprozess setzt ebenfalls Wärme frei, die wütende Stürme antreiben kann.

Dennoch bleiben Wolken eine der größten Schwachstellen in Klimamodellen. Die globalen Klimamodelle, die Wissenschaftler zur Simulation zukünftiger Erwärmungsszenarien nutzen, sind viel zu grob, um die wolkenbildenden Aufwinde zu erfassen oder zu beschreiben, wie Wolken in einem Sturm kreisen. Und schon gar nicht erklären sie die mikrophysikalischen Prozesse, die bestimmen, wie viel Regen aus ihnen fällt.

Eine Wolke bleibt selten allein

Um dieses Problem zu lösen, wandten sich Muller und andere Gleichgesinnte einfacheren Simulationen des Erdklimas zu, die Konvektion modellieren können. In diesen künstlichen Welten – flache Kästen, typischerweise einige Hundert Kilometer breit und einige Dutzend Kilometer tief – experimentierten die Forscher mit nachgebildeten Atmosphären, um herauszufinden, wie sich Wolken unter verschiedenen Bedingungen verhalten.

Interessanterweise klumpten die Wolken in diesen Modellen spontan zusammen. Und das, obwohl die Modelle keine der üblichen Faktoren enthielten, die Wolken normalerweise zusammenführen: keine Berge, keinen Wind, keine Erdrotation, keine jahreszeitlichen Schwankungen des Sonnenlichts. »Niemand wusste, warum das passierte«, sagt Daniel Hernández Deckers, Atmosphärenwissenschaftler an der Nationaluniversität von Kolumbien in Bogotá.

2012 fand Muller einen ersten Hinweis auf die Ursache dieses merkwürdigen Verhaltens: einen Prozess namens Strahlungskühlung. Die Sonnenwärme, die auf die Erdoberfläche trifft, wird zurück in den Weltraum abgestrahlt. Und dort, wo es weniger Wolken gibt, entweicht mehr Energie – die Luft kühlt stärker ab. Von diesen kühlen Stellen strömt Luft weg, hin zu wolkenreicheren Regionen. Und dort wiederum muss warme Luft aufsteigen und lässt durch Konvektion mehr Wolken entstehen. Eine Folgestudie aus dem Jahr 2018 zeigte, dass Strahlungskühlung in dieser Art von Simulation auch die Bildung tropischer Wirbelstürme beschleunigte. »Dadurch erkannten wir, dass man, um Wolken zu verstehen, auch die Umgebung betrachten muss – also jenseits der Wolken«, sagt Muller.

Kleinräumige Prozesse

Als Wissenschaftler begannen, nicht nur außerhalb der Wolken, sondern auch unter ihnen und an ihren Rändern zu schauen, fanden sie weitere kleinskalige Prozesse, die helfen zu erklären, warum Wolken zusammenflocken. Die verschiedenen Prozesse, von Muller und Kollegen in der Fachzeitschrift »Annual Review of Fluid Mechanics« beschrieben, bringen warme, feuchte Luftpakete zusammen oder halten sie beisammen, sodass sich in ohnehin wolkenreichen Regionen noch mehr Wolken bilden. Diese kleinskaligen Abläufe verstand man vorher fast gar nicht, weil größere Wettermuster sie oft überlagern.

Hernández Deckers untersucht einen dieser Prozesse, Entrainment genannt – das turbulente Mischen von Luft an den Rändern von Wolken. Die meisten Klimamodelle stellen Wolken als stetige Säulen aufsteigender Luft dar, doch in Wirklichkeit »sind Wolken wie ein Blumenkohl«, sagt er. »Es gibt viel Turbulenz, und man hat diese Blasen [aus Luft] im Inneren der Wolken.« Die sich mischende Luft an den Rändern beeinflusst, wie sich Wolken entwickeln und Gewitter entstehen; Entrainment kann Stürme schwächen oder verstärken, auf jeden Fall aber fördert es – ähnlich wie die Strahlungskühlung – die Bildung weiterer Wolken in bereits feuchten Regionen.

Solche Prozesse sind wahrscheinlich in Stürmen der Tropen besonders wichtig, wo die Unsicherheit über zukünftige Niederschläge am größten ist. Deshalb konzentrieren Hernández Deckers, Muller und weitere Fachleute ihre Studien mehrheitlich auf diese Regionen. Die Tropen haben keine Kaltfronten, Jetstreams oder spiralförmigen Hoch- und Tiefdrucksysteme, die Luftströmungen in höheren Breiten dominieren.

Daneben beeinflussen weitere mikroskopische Prozesse in Wolken extreme Niederschläge, vor allem über kurze Zeiträume. Die Luftfeuchtigkeit ist dabei wichtig: Kondensierte Tropfen, die durch feuchte, wolkige Luft fallen, verdunsten weniger – also erreicht mehr Wasser den Boden. Temperatur spielt ebenfalls eine Rolle, denn wenn Wolken in wärmeren Atmosphären entstehen, produzieren sie weniger Schnee und mehr Regen. Regentropfen fallen schneller als Schneeflocken und verdunsten so ebenfalls weniger – was erneut zu mehr Regen führt.

Die Auswirkungen auf extreme Niederschläge

Diese Faktoren helfen zu erklären, warum aus einer Wolke mehr Regen herausgepresst werden kann als die sieben Prozent Feuchtigkeit, die die Luft pro Grad Erwärmung mehr aufnimmt. »Im Grunde bekommt man einen zusätzlichen Schub … in unseren Simulationen war es fast eine Verdopplung«, sagt Martin Singh, Klimawissenschaftler an der Monash University in Melbourne.

Dass Wolken zusätzlich verklumpen, verstärkt diesen Effekt. Warme, feuchte Luft bleibt zusammen, sodass mehr Regentropfen fallen. Eine Studie von Muller und ihren Kollegen ergab, dass Wolken, die sich zusammenballen, kurzzeitige Niederschlagsextreme um 30 bis 70 Prozent verstärken – hauptsächlich, weil Regentropfen in den nassen Wolken weniger stark verdunsten.

Weitere Forschung, darunter eine Studie unter Leitung von Jiawei Bao, Postdoc in Mullers Gruppe, bestätigt, dass die mikrophysikalischen Prozesse in Wolken starken Einfluss auf schnelle, heftige Regengüsse haben. Diese plötzlichen Niederschläge nehmen mit dem Klimawandel viel schneller zu als anhaltende Regenfälle und verursachen häufig Sturzfluten.

Die Fachleute wollen wissen, wie sich die Verklumpung der Wolken mit der Erwärmung des Planeten verändern wird – und was das für Starkregen und Überschwemmungen bedeutet.

Laut einigen Modellen könnten Wolken (und die aufsteigenden Luftmassen, die durch sie entstehen) sich mit der globalen Erwärmung stärker zusammenballen – und mehr extreme Niederschläge produzieren, die die Theorie weit übertreffen. Andere Simulationen legen jedoch nahe, dass Wolken sich weniger stark gruppieren. »Es scheint immer noch eine Bandbreite möglicher Antworten zu geben«, sagt Allison Wing, Klimawissenschaftlerin an der Florida State University in Tallahassee, die verschiedene Modelle verglichen hat.

Was bringt die Zukunft?

Wissenschaftler beginnen nun, diese Widersprüche mithilfe leistungsstarker Computersimulationen zu untersuchen. Diese globalen sturmauflösenden Modelle können die feinen Strukturen von Wolken, Gewittern und Zyklonen erfassen und gleichzeitig das globale Klima simulieren. Sie sind 50-fach realitätsnäher als übliche globale Klimamodelle, benötigen aber 30 000-mal mehr Rechenleistung.

In einer Studie aus dem Jahr 2024 beobachteten Bao, Muller und ihre Kollegen in einem solchen Modell, dass Wolken in den Tropen sich stärker zusammenballten, wenn die Temperaturen stiegen. Das führte einerseits zu selteneren Stürmen; andererseits waren die Stürme aber größer und hielten länger an. Darum gaben sie über den Tag hinweg mehr Regen ab als theoretisch erwartet.

Doch diese Arbeit basierte nur auf einem Modell und simulierte Bedingungen für einen einzigen zukünftigen Zeitraum – das Jahr 2070. Wissenschaftler müssten längere Simulationen mit mehr sturmauflösenden Modellen durchführen, erklärt Bao, doch nur wenige Forschungsteams könnten sich das leisten. Die Simulationen sind so rechenintensiv, dass sie meist in großen Rechenzentren laufen. Fachleute veranstalten gelegentlich »Hackathons«, um Daten gemeinsam zu verarbeiten.

Die Arbeitsgruppen benötigen außerdem mehr reale Beobachtungen, um einige der größten Unbekannten über Wolken zu klären. Eine Reihe neuer Studien hat zwar anhand von Satellitendaten das Zusammenklumpen von Wolken mit stärkerem Regen in den Tropen in Verbindung gebracht, in vielen tropischen Regionen gibt es allerdings große Datenlücken. Das schwächt Klimaprojektionen und lässt viele Länder schlecht vorbereitet zurück. Im Juni 2025 fegten Überschwemmungen und Erdrutsche in Venezuela und Kolumbien Gebäude hinweg und töteten mindestens ein Dutzend Menschen – aber welche Faktoren diese Stürme verschlimmerten, ist unklar, weil die Daten so spärlich sind. »Niemand weiß wirklich, was das ausgelöst hat«, sagt Hernández Deckers.

Neue, detaillierte Daten sind bereits unterwegs. Wing analysiert Niederschlagsmessungen des deutschen Forschungsschiffs »Meteor«, das 2024 sechs Wochen lang den tropischen Atlantik durchquerte. Das Radar des Schiffs kartierte Konvektionscluster der Stürme, durch die es fuhr. Die Arbeit soll helfen zu verstehen, wie sich Wolken über weite Ozeanflächen organisieren.

Und ein noch umfassenderer Blick steht bevor. Die Europäische Weltraumorganisation plant für 2029 den Start der Satelliten Harmony A und B, die unter anderem bodennahe Winde messen sollen, die die Ozeane kräuseln und Berggipfel streifen. Vielleicht, so hoffen Wissenschaftler, liefern diese Satelliten endlich bessere Daten über verklumpende Wolken und die heftigsten Regenfälle, die dort entstehen.