Page - 30 - in Änderung des Gewitter- und Hagelpotentials im Klimawandel

2TheoretischerHintergrundundphysikalischeKonzepte WolkenmikrophysikalischeVorgänge beimHagelwachstum In einer Gewitterwolke sind alle drei Aggregatzustände von Wasser zur selben Zeit präsent. Dadurch sind die mikrophysikalischen Prozesse sehr komplex, da die unter- schiedlichen Wolken- und Niederschlagsteilchen verschieden miteinander interagieren können (Pruppacher und Klett, 1997). Die Basis der Hagelentstehung ist die Entste- hung von Eiskristallen und unterkühlten Wassertröpfchen aus der Dampfphase heraus (Nukleation). Dies kann über zwei unterschiedliche Prozesse ablaufen: (a) homogene Nukleation, wobei aus der Dampfphase heraus Hydrometeore gebildet werden, und (b) heterogene Nukleation, bei der Deposition und/oder Kondensation von Wasserdampf an festenoder löslichenTeilchen (alsKeimeoderAerosolebezeichnet) stattfindet. BeiderhomogenenEisnukleationbildetsicheinEiskristallausunterkühltenWasser- tröpfchen erst bei Temperaturen zwischen –35 und –40◦C. Aufgrund thermischer Be- wegungenderMolekülekommtes indemübersättigtenDampfoder indenunterkühlten Teilchen zu Fluktuationen, die zu mikroskopischen Variationen von Druck, Temperatur und Dichte führen. Durch diese Fluktuationen bilden die Moleküle in unterschiedlicher Anzahl ein Cluster (Verbund von Molekülen), das aber nach kurzer Zeit wieder zerfal- len kann. Erreicht das Cluster durch Zufall eine kritische Größe, die von der Masse, der TemperaturundderÜbersättigungabhängt,kannesdurchAnlagerungzusätzlicherMo- leküle weiter wachsen (Pruppacher und Klett, 1997). Die gebildeten Teilchen sind mit Radien von etwa 10nm jedoch relativ klein (Feichter, 2003). Wegen den notwendigen niedrigen Temperaturen hat die homogene Nukleation von Eiskristallen in der unteren undmittlerenTroposphäreAtmosphäreallerdingsnureineuntergeordneteBedeutung. Bei der heterogenen Flüssigwassernukleation bilden sich Wassertröpfchen durch KondensationvonWasserdampfanKondensationskeimen(engl.cloudcondensationnu- clei, CCN; siehe Abb. 2.7). Hier unterstützt ein Aerosol durch den bereits vorhande- nen Radius die Anlagerung (Krümmungseffekt) beziehungsweise ermöglicht ein was- serlösliches Aerosol die Lösung (Lösungseffekt). Die meisten Aerosolpartikel können als CCN dienen. Nach Dusek et al. (2006) liegt der kritische Bereich zur Aktivierung der Nukleation zwischen 40 bis 120nm. Wird eine Wolke in einer Umgebung mit einer hohenCCN–Konzentrationgebildet, bestehtdieseausmehrerenundkleinerenWolken- tröpfchen gegenüber Wolken, die in einem Bereich mit geringer CCN–Konzentration entstehen. Üblicherweise sind die Konzentrationen von CCN über Land höher als über demMeer (TwomeyundWojciechowski, 1969). 30