Eine partikelbasierte Simulation der Wolkenbildung. Wasserdampf steigt von warmem Boden auf, kühlt sich adiabatisch mit der Höhe ab und kondensiert am Taupunkt, wodurch Cumulus-, Schicht- und Cumulonimbuswolken entstehen.
Die Thermodynamik der Wolkenbildung: warme, feuchte Luft steigt auf, dehnt sich aus und kühlt sich ab. Erreicht die Temperatur den Taupunkt, kondensiert der Wasserdampf an Kondensationskernen.
Wählen Sie eine Wolkenvoreinstellung oder stellen Sie Temperatur und Luftfeuchtigkeit manuell ein. Beobachten Sie, wie Partikel aufsteigen, sich abkühlen und am Hebungskondensationsniveau kondensieren.
Die Bolton-Gleichung liefert den Taupunkt mit einer Genauigkeit von 0,1 °C. Das Hebungskondensationsniveau steigt um etwa 125 m für jeden 1 °C Unterschied zwischen Lufttemperatur und Taupunkt.
Diese Simulation zeigt, wie sich Wolkentröpfchen bilden, wenn feuchte Luft aufsteigt und sich abkühlt. Bis zu 500 Partikel stellen Wasserdampf dar, der von warmem Boden aufsteigt; ihre Höhe wird mithilfe eines konstanten Temperaturgradienten in eine Temperatur umgerechnet. Sobald die Temperatur des Luftpakets auf den Taupunkt fällt, kondensiert der Dampf zu weißen Tröpfchen. Die gestrichelte Linie markiert das Hebungskondensationsniveau (LCL) — die Höhe, in der sich Wolken bilden.
Sie stellen die Bodentemperatur T₀ (10–40 °C), die relative Luftfeuchtigkeit (10–100 %), den Temperaturgradienten der Umgebung (4–12 °C/km) und den horizontalen Wind ein. Daraus leitet das Modell einen Taupunkt und ein LCL mithilfe der Magnus- und Bolton-Näherungen ab und klassifiziert das Ergebnis anschließend als Cumulus, Schichtwolke, Schichtcumulus oder Cumulonimbus. Das Verständnis dieses Prozesses erklärt das alltägliche Wetter, konvektive Stürme und die Wolkenvorhersage in der Luftfahrt.
Was ist Wolkenbildung?
Wolkenbildung ist der Prozess, bei dem unsichtbarer Wasserdampf in aufsteigender Luft zu sichtbaren Tröpfchen kondensiert. Wenn ein feuchtes Luftpaket aufsteigt, dehnt es sich aus und kühlt sich ab; sobald es seinen Taupunkt erreicht, kondensiert der Dampf an winzigen Aerosolkernen — und eine Wolke erscheint. Diese Simulation bildet diesen Prozess mit Partikeln nach, die von warmem Boden aufsteigen.
Was ist das Hebungskondensationsniveau (LCL)?
Das LCL ist die Höhe, in der ein aufsteigendes Luftpaket gesättigt wird und sich eine Wolke zu bilden beginnt. Hier wird es als gestrichelte blaue Linie dargestellt. Das Modell schätzt es als ungefähr (T₀ minus Taupunkt), geteilt durch 8, mal 1000 Meter, sodass trockenere Luft eine höhere Wolkenbasis ergibt.
Wie wird der Taupunkt berechnet?
Die Simulation verwendet eine einfache Näherung im Magnus-Stil: Taupunkt gleich T₀ minus (100 minus relative Luftfeuchtigkeit), geteilt durch 5. Bei 60 % Luftfeuchtigkeit und 25 °C liegt der Taupunkt also bei etwa 17 °C. Höhere Luftfeuchtigkeit bringt den Taupunkt näher an die Lufttemperatur heran und senkt die Wolkenbasis.
Temp T₀ legt die Oberflächentemperatur fest, die Luftfeuchtigkeit bestimmt, wie viel Feuchtigkeit die Luft enthält, der Temperaturgradient legt fest, wie schnell die Temperatur mit der Höhe sinkt, und der Wind verschiebt die Partikel seitwärts. Zusammen verändern sie den Taupunkt, die LCL-Höhe und den resultierenden Wolkentyp, der in den Informationsfeldern angezeigt wird.
Der Temperaturgradient ist die Rate, mit der die Lufttemperatur mit der Höhe abnimmt, ausgedrückt in °C pro Kilometer. Der Standardwert von 6,5 °C/km entspricht dem atmosphärischen Durchschnitt. Steilere Gradienten (hier bis zu 12 °C/km) machen die Atmosphäre instabiler und begünstigen hohe konvektive Wolken wie Cumulonimbus.
Das Modell klassifiziert Wolken anhand der Eingaben: Ein steiler Gradient von 8 oder mehr mit einer Luftfeuchtigkeit von 75 % oder darüber ergibt Cumulonimbus; hohe Luftfeuchtigkeit von 80 % oder mehr mit flachem Gradienten ergibt Schichtwolke; hohe Luftfeuchtigkeit mit niedriger Wolkenbasis ergibt Schichtcumulus; andernfalls wird Cumulus zurückgegeben. Die Voreinstellungen laden lediglich repräsentative Werte.
Es handelt sich um ein vereinfachtes Lehrmodell. Die Formeln für Taupunkt und LCL sind anerkannte Näherungen mit einer Genauigkeit von etwa einem Grad, und die Abkühlung entlang des Gradienten ist realistisch. Sie vernachlässigt jedoch die Freisetzung latenter Wärme, den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, Durchmischung und die tatsächliche Tröpfchenmikrophysik und zeigt daher die Prinzipien statt exakter meteorologischer Werte.
Unterhalb des LCL verhalten sich Partikel wie auftriebsfähiger Dampf und steigen auf. Oberhalb davon werden sie als kondensierte Tröpfchen behandelt: Sie erhalten eine leichte Abwärtsgeschwindigkeit und driften zur Mitte ihres Höhenbandes, was nachahmt, wie sich Wolkentröpfchen sammeln und wie schwerere sich schließlich absetzen oder als Niederschlag fallen.
Geringere Luftfeuchtigkeit bedeutet, dass der Taupunkt deutlich kälter ist als die Oberflächentemperatur, sodass die Luft weiter aufsteigen muss, um sich ausreichend abzukühlen und zu sättigen. Da das LCL von der Differenz zwischen Temperatur und Taupunkt abhängt, schiebt eine große Differenz die Wolkenbasis höher. Deshalb haben Wüsten oft hohe, spärliche Wolken.
Piloten und Fluglotsen nutzen das LCL, um Wolkenbasen vorherzusagen, Segelflieger nutzen konvektive Temperaturgradienten, um Thermik zu finden, und Meteorologen nutzen Luftfeuchtigkeit und Instabilität, um Gewitter vorherzusehen. Dieselbe Thermodynamik liegt Wettermodellen, Nebelvorhersagen und sogar dem Verhalten von Kühlturmschwaden zugrunde.