Cumuluswolken (Haufenwolken)

Die weißen Cumulus- oder Haufenwolken an einem sonnigen Tag kennt wohl jeder. Sie entstehen durch aufsteigende Luftpakete. Die Erdoberfläche ist über Land unterschiedlich beschaffen. Gebiete mit Wasserflächen, Feldern oder Wäldern bleiben kühler als solche mit Sand oder Siedlungen. Auch die Luft über der Erdoberfläche nimmt dadurch unterschiedliche Temperaturen an.

Da wärmere Luft leichter ist als kalte, beginnt diese langsam in Form von einzelnen begrenzten Blasen aufzusteigen. Die Temperatur nimmt dabei mit etwa 1 Grad C pro 100 Meter ab.

Die aufsteigende Luftblase wird also umso kälter je höher sie aufsteigt. Allerdings kühlt sich auch die Umgebungsluft mit zunehmender Höhe ab. Wie stark diese Abkühlung ist, hängt von der Luftschichtung ab. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten:

1. Die Umgebungsluft kühlt langsamer ab als die aufsteigende Luftblase. In diesem Fall werden die aufsteigenden Luftblasen langsam kälter als ihre Umgebung, der Auftrieb hört auf und die Luftblasen fallen wieder in Richtung Boden. Man nennt eine solche Luftschichtung stabil. Eine stabile Luftschichtung hemmt also Vertikalbewegungen.

2. Die Umgebungsluft kühlt sich gleichstark und gar noch stärker ab als die aufsteigende Luftblase. In diesem Fall bekommen die aufsteigenden Luftblasen noch mehr Auftrieb. Man nennt eine solche Luftschichtung labil. Eine labile Luftschichtung fördert Vertikalbewegungen.

3. Die Umgebungsluft und die aufsteigende Luftblase bleiben stets gleichwarm. In diesem Fall steigt die Luftblase nicht mehr auf, fällt aber auch nicht zum Boden zurück. Man nennt eine solche Luftschichtung indifferent.

Nehmen wir nun eine labile Luftschichtung an wo unsere Luftblase weiter nach oben aufsteigt. Was passiert dann? In der aufsteigenden Luftblase ist immer eine bestimmte Menge an Wasserdampf enthalten. Da kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann wie warme, wird die aufsteigende Luftblase irgendwann so kalt, dass sie den in ihr enthaltenen Wasserdampf nicht mehr aufnehmen kann, die relative Luftfeuchte also 100 Prozent erreicht. Man nennt die Temperatur, bei der das geschieht den Taupunkt. Ab der Höhe, wo die Taupunkttemperatur erreicht wird, beginnt der Wasserdampf in der aufsteigenden Luftblase in Form von feinsten Tröpfchen zu kondensieren und es bildet sich eine kleine Wolke.

Die Höhe bei der die Kondensation einsetzt nennt man Kondensationsniveau, auch als Cumulus-Kondensationsniveau bezeichnet. Die Temperatur bei der die Kondensation einsetzt heißt Taupunkt. Da die Kondensation ab einer gewissen Höhe einsetzt, sind die Unterseiten oder Basen der Cumuluswolken scharf abgegrenzt.

Damit vom Erdboden aufsteigende Luftblasen überhaupt das Kondensationsniveau erreichen können, muß sich die Luftschicht am Boden auf eine bestimmte Temperatur erwärmen, die man Auslösetemperatur nennt. Wird am Boden die Auslösetemperatur erreicht, setzt die Bildung von Cumuluswolken ein.

An warmen Sommertagen kann man oft beobachten, wie sich kleine Haufenwolken scheinbar aus dem Nichts bilden. Bevor sich eine kleine Haufenwolke bildet, erkennt man an der entsprechenden Stelle des Himmels oft zarte Dunstschleier: Fumulus. Aus diesen entsteht dann die eigentliche Haufenwolke. Die folgende Bildserie zeigt das am 16. September 2007:

Nachdem die Kondensation eingesetzt hat, wird latente Wärme frei. Dadurch kühlt sich die weiter aufsteigende Luftblase nicht mehr mit 1 Grad C, sondern nur noch mit etwa 0,6 Grad C pro 100 Meter Höhe ab.

Das Aufsteigen von Luftblasen bezeichnet man als Konvektion. Die daraus entstehende Bewölkung nennt man konvektive Bewölkung. Je nach der Luftschichtung bleiben die Haufenwolken klein (flache Konvektion) oder werden immer mächtiger und stoßen in große Höhen vor (hochreichende Konvektion).

Liegt die Temperatur am Boden unterhalb der Auslösetemperatur, so erreichen vom Boden aufsteigende Luftblasen nicht das Kondensationsniveau und es kommt nicht zur Bildung von Cumuluswolken. Man spricht in diesem Fall auch von Blauthermik. So etwas kann man z. B. hier im Seewindbereich beobachten. Der kühle Seewind stabilisiert die Luft von unten her und sorgt oft dafür, dass die Auslösetemperatur überhaupt nicht erreicht wird.

Oft gibt es auch den Fall, das ab einer gewissen Höhe die Temperatur nicht ab - sondern sogar wieder zunimmt, es also wärmer wird. Eine solche Grenzschicht bezeichnet man als Inversion (Temperaturumkehrschicht). Erreicht eine Haufenwolke diese Inversion, so kann sie sich nicht weiter nach oben entwickeln weil die Luftpakete durch die Temperaturzunahme mit der Höhe rasch kälter als ihre Umgebung werden! In diesem Fall breitet sich die Haufenwolke unterhalb der Inversion waagerecht aus. Weiteres dazu ist hier beschrieben.