Akkretionseffizienz
Regen aus der Ferne gesehen

Der Begriff Regen bezeichnet die am häufigsten auftretende Form flüssigen Niederschlags. Im Gegensatz zum gefrorenen Niederschlag (z. B. Hagel, Graupel oder Schnee) besteht er zum überwiegenden Teil aus Wasser, welches infolge der Schwerkraft in flüssiger Form aus Wolken auf die Erde fällt. Die Regenform wird unterschieden nach Entstehung, Dauer, Intensität, Wirkung und geografischem Vorkommen.

Inhaltsverzeichnis

Entstehung

Wasser mit Eiskernen

Allgemein

Ausgangspunkt jedes Regens sind Wolken, die aus feinen Eiskristallen oder Wolkentröpfchen (Wassertropfen mit 5 bis 10 μm Durchmesser) bestehen. Sie bilden sich in Folge der Abkühlung einer feuchten Luftmasse beim Aufstieg in der Atmosphäre, wenn der Taupunkt unterschritten wird. Je nach Höhe und herrschender Temperatur bilden sich entweder Eiskristalle an Kristallisationskeimen durch Sublimation (techn. Resublimation), oder Wolkentröpfchen mit Hilfe von Kondensationskeimen durch Kondensation. Diese Primärkörper können, in Abhängigkeit von der Aufenthaltsdauer in der Wolke, weiteren Wasserdampf, andere Wolkentropfen oder auch Eiskristalle an sich binden und dadurch anwachsen. Erreichen Eiskristalle eine wärmere Umgebung, so schmelzen sie wieder zu Tropfen. Wird das Gewicht der Tropfen so groß, dass sie weder durch die Luftreibung (Reibung im Fluid nach dem Gesetz von Stokes), noch von den in einer Wolke vorherrschenden Luftströmungen (Aufwinden) „in Schwebe“ gehalten werden können, so beginnen sie auf Grund der Schwerkraft langsam zu Boden zu sinken, und es entsteht der uns bekannte Regen. Das Zusammenwachsen vieler kleiner Wassertröpfchen zu größeren und schwereren beschleunigt diesen Vorgang und erhöht die Fallgeschwindigkeit. In der Regel besteht der am Boden auftreffende Regen aus Tropfen mit einem Durchmesser von 0,6 bis 3 mm. (siehe auch: Bildung, Entwicklung und Auflösung in Wolken)

Tropfenwachstum in warmen Wolken

Dimensionen (Keim, Wolken- und Regentropfen)

Warme Wolken sind Wolken in denen nur flüssiges Wasser vorkommt.[1] Je nach Beschaffenheit der Kondensationskerne kann Wasser auch unter 0 °C flüssig bleiben, auch diese unterkühlten Wolken werden warme Wolken genannt und sind nach Definition Wasserwolken.

Das Anwachsen von Wolkentröpfchen zu Regentropfen allein durch das Aufsammeln von Wasserdampf (Dampfdiffusion [2]) ist wenig effizient und recht langsam. Daher gelten das Zusammenstoßen (Kollision) und nachfolgende Zusammenfließen (Koaleszenz) von Wolkentröpfchen als weitere entscheidende Schritte bei der Entstehung von Regen. Zu Kollisionen kommt es, weil große Tropfen schneller absinken als kleine. Dennoch kommt es nicht immer zur Kollision, häufig werden kleine Tropfen von der Luftströmung um rasch fallende große Tropfen herumgeleitet. Erfolgt nach einer Kollision auch Koaleszenz, so spricht man von Akkretion, also einem Anwachsen durch Aufsammeln. Dabei führt nicht jede Kollision zwangsläufig zur Koaleszenz. Man spricht in diesem Zusammenhang von Kollisions- oder Koaleszenzeffizienz. Die Kollisionseffizienz ist für Tropfen ähnlicher Größe mit einem Radius von mindestens 30 µm sehr hoch, die Koaleszenzeffizienz hingegen ist höher bei Tropfen mit unterschiedlichen Radien. Große Tropfen kollidieren somit häufiger, jedoch bleiben sie dabei meist unverändert, wohingegen kleine Tropfen eher mit großen zusammenwachsen. Das Produkt aus Kollisions- und Koaleszenzeffizienz nennt man auch Akkretionseffizienz, sie ist ein Parameter für die Regenwahrscheinlichkeit von Wolken. Je größer die Tropfen werden, desto schneller wachsen sie. Begünstigt wird dieser Prozess durch einen hohen Feuchtegehalt der Luft (Tropen, Subtropen) oder große Kondensationskerne, wie zum Beispiel in maritimen Luftmassen.

Wachstum in kalten Wolken

Wenn Wolken während ihres Lebenszyklus ganz oder nur teilweise aus Eispartikeln bestehen, so werden sie kalte Wolken genannt.[3] Mischformen werden zum Teil auch als kühle Wolken bezeichnet. Der Wachstumsmechanismus ist jedoch gänzlich anders als in warmen Wolken.

Zwischen unterkühlten Wassertropfen und dem Wasserdampf in ihrer Umgebung besteht ein Gleichgewicht. Wenn die Luft viel Feuchtigkeit enthält, wachsen die Tropfen an, in trockener Luft geben sie Wasser ab. Ein ähnliches Gleichgewicht gibt es zwischen Eiskristallen und Wasserdampf, mit dem Unterschied, dass Eiskristalle die Feuchtigkeit effizienter aufnehmen und weniger dazu neigen sie wieder abzugeben. Sind in einer Wolke Eiskristalle in der Nähe unterkühlter Wassertropfen, so stellt eine Sättigung des Wasserdampfes bezüglich der Wassertropfen eine Übersättigung bezüglich der Eiskristalle dar. Die Eiskristalle wachsen durch Sublimation (techn. Resublimation) auf Kosten der Tropfen an (Bergeron-Findeisen-Prozess). Es folgt eine Kettenreaktion, die Eiskristalle fallen schneller und zerbrechen bei Kollision mit Wassertropfen zu Splittern, die wiederum anwachsen und somit zur Vereisung der unterkühlten Wasserwolke führen. Am häufigsten vereisen Wolken in einem Temperaturbereich von rund −5° C bis −15° C, in diesem Bereich herrscht der maximale Unterschied zwischen dem Sättigungsdampfdruck über Wasser und dem über Eis (siehe dazu auch: Kristallbildung). Damit es bei vereisten Wolken zu Regen (und nicht Schneefall, Graupel, etc.) kommt, müssen die Eispartikel beim Sinken wieder wärmere Luftschichten passieren und tauen. Dabei durchqueren sie unter Umständen auch weitere, tiefere Schichten von Wolken mit Wolkentropfen (bei unterkühlten Wolken oder Gewitter-Wolken), beziehungsweise Wasserdampf. Durch Akkretion wachsen sie dort weiter an, der Prozess ähnelt im weiteren Verlauf dann jenem warmer Wolken.

Regenformen

Abhängig von meteorologischen und geographischen Bedingungen gibt es unterschiedliche Formen von Regen. Die Klassifikation von Regen kann nach der Entstehung, der Dauer, der Intensität, dem räumlichen Vorkommen oder nach der Wirkung am Boden, beziehungsweise dem Empfinden eines Betrachters erfolgen. Man kann ein und dasselbe Regenereignis in verschiedene Kategorien einordnen, abhängig von der Perspektive des Beobachters - hier einige Beispiele:

Definition nach Menge und zeitlichem Anfall

Nur abhängig von Zeit und Menge (Niederschlagshöhe in mm), jedoch unabhängig von Entstehung, Wirkung und Lokalität gibt es für Regen in der Meteorologie folgende Einteilung.[4]

Regenschauer – Niederschlagsmenge in 10 Minuten:

Definition Menge
leicht 0,1 bis 0,4 mm
mäßig 0,4 bis 2 mm
stark 2 bis 8 mm
sehr stark ab 8 mm

Regen – Niederschlagsmenge in einer Stunde:

Definition Menge
leicht 0,1 bis 0,5 mm
mäßig 0,5 bis 4 mm
stark 4 bis 10 mm

Definition nach dem primären Entstehungsprozess

Im Allgemeinen entsteht Regen durch einen primären Entstehungsprozess, nach dem die Regenform benannt werden kann. Folgende Formen sind möglich:

Steigungsregen

Entstehung von Steigungsregen
Steigungsregen oder auch Stauregen entsteht, wenn Wind feuchte Luft vom Meer oder Flachland an Gebirgszügen oder anderen orografischen Erhebungen (Luv-Seite) aufsteigen lässt.[5] Steigungsregen kommt in den Tropen, Subtropen und gemäßigten Zonen vor. Er kann Stunden bis wenige Tage andauern, in seltenen Fällen auch mehrere Wochen.
Die Luft wird mit zunehmender Höhe immer weiter abgekühlt, dabei sinkt jedoch auch ihre Wasserdampfkapazität und die Lufttemperatur nähert sich immer weiter dem Taupunkt. Zunächst kühlt sich die Luft nach dem Prinzip der trockenadiabatischen Abkühlung um ein Grad Celsius pro 100 Höhenmeter ab. Sobald eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent erreicht ist, kühlt sich die Luft nach dem Prinzip der feuchtadiabatischen Abkühlung nur noch um ungefähr 0,6 °C pro 100 Meter ab. Dabei kondensiert der Wasserdampf der Luftmasse unter Freisetzung latenter Wärme zu Wasser (Wolkentröpfchen), was zur Wolkenbildung führt. Je nach Intensität der Aufwärtsströmung kommt es in Folge oft zu heftigen Niederschlägen. Diese konzentrieren sich an den jeweiligen orografischen Hindernissen, wo oft hohe Niederschlagsmengen erreicht werden.
Nach der Thermodynamischen Föhntheorie kann der weitere Verlauf wie folgt aussehen: Auf der windabgewandten Lee-Seite erwärmt sich die absinkende Luft, sofern sie komplett ausgeregnet ist, wieder trockenadiabatisch um ein Grad Celsius pro 100 Meter, also schneller als die Abkühlung beim Aufstieg erfolgte. Dies kann in tiefen Lagen zu einer wärmeren Luftströmung auf der Lee-Seite führen, die als Föhn bekannt ist.
Gebirge haben auf Grund dieser Vorgänge und allgemein vorherrschender Hauptwindrichtungen meist eine Regen- oder Wetterseite mit erhöhter Niederschlagsintensität. Dies kann in den gemäßigten Breiten ebenfalls zu Regenwäldern führen, man spricht dann auch vom gemäßigten Regenwald.

Konvektionsregen

Entstehung von Konvektionsregen
Konvektionsregen ist Regen aus Wolken, die sich auf Grund von Konvektionsströmungen bilden. Konvektionsregen kommt vornehmlich in den Tropen und Subtropen, zur warmen Jahreszeit aber auch in den gemäßigten Breiten, also auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz vor. Abhängig von der geographischen Lage kann er zwischen mehreren Minuten (Wolkenbrüche) und mehreren Tage (Tropenregen) dauern.[5]
Bei warmer Witterung verdunsten große Mengen des im Boden oder auf Wasserflächen vorhandenen Wassers. Die dabei entstehenden bodennahen feuchten Luftmassen werden, auf Grund von ebenfalls durch die Wärme am Boden verursachten Luftströmungen (Wärmeströmungen), in die Höhe transportiert. Erreichen sie ihre Sättigung, so bilden sich Wolken. Die Größe und Art der gebildeten Wolken hängt von der Intensität der Strömungen, der Luftmasse und ihrer Feuchtigkeit, der Temperatur und Bodenbeschaffenheiten (Geographie) ab. Bei optimalen Bedingungen bilden sich so in nur wenigen Stunden oftmals sehr starke Konvektionsgewitter. Diese treten vor allem in tropischen, aber auch vielen anderen Gebieten der Erde (speziell zur warmen Jahreszeit), häufig am frühen bis späteren Nachmittag auf. Je nach Intensität, Anzahl der Kondensationskeime in der Luft und vorhandener feuchter Luftmassen können sich kleine Wolken oder äußerst große Gewitterwolken bilden.

Frontregen

Entstehung von Frontregen
Frontregen (Zyklonenregen) entsteht in einer Warm- oder Kaltfront und kommt in den Subtropen und gemäßigten Zonen vor.[6] Seine Dauer ist unmittelbar abhängig von der Aufenthaltsdauer der Front über dem Beobachtungsstandort, da er mit der Front mitwandert.
Frontregen tritt auf, wenn warme und feuchte Luftmassen (oft aus tropischen Gebieten) auf kalte (polare) Luftmassen treffen. Bei einer Warmfront gleitet die leichtere Warmluft auf die schwerere Kaltluft vor Ort auf, bei einer Kaltfront schiebt sich die schwerere Kaltluft unter die vorhandene Warmluft. Beim Aufsteigen kühlt sich die warme Luft ab, der gespeicherte Wasserdampf kondensiert, Wolken bilden sich und es regnet. Das Entstehungsprinzip ähnelt dem des Steigungsregens, mit dem Unterschied, dass Luftmassen statt fester Hindernisse den Transport der feuchten Luft in die Höhe bewirken.

Ergänzende Formen

Diese Formen beschreiben meist die Auswirkung und das Empfinden durch den Beobachter am Boden, der primäre Entstehungsprozess wird bei der Betrachtung meist vernachlässigt.

Dauerregen

Als Dauerregen oder Landregen bezeichnet man ein lang andauerndes Niederschlagsereignis. In den gemäßigten Breiten fällt er fast ausschließlich aus Nimbostratuswolken.[7] Dauerregen kann in den Tropen, Subtropen und gemäßigten Breiten beobachtet werden und mehrere Stunden bis Tagen dauern, selten jedoch mehrere Wochen. In den gemäßigten Breiten tritt er meist im Zusammenhang mit einer Warmfrontpassage auf. Die jeweilige Definition eines Dauerregens kann je nach Klimagebiet unterschiedlich sein. In Mitteleuropa spricht man im Allgemeinen dann von einem Dauerregen, wenn er mit unterbrochenen Regenfällen und einer Heftigkeit von über 0,5 Millimeter pro Stunde über einen Zeitraum von mindestens sechs Stunden anhält.
Starkregen einer Gewitterfront über Koh Samui, Thailand im Mai 2005

Starkregen

Starkregen nennt man in der Meteorologie große Mengen Regens, die in kurzer Zeit fallen. Man definiert Starkregen somit nach seiner Intensität und Dauer. Starkregen kommt in den Tropen, Subtropen und gemäßigten Breiten vor und kann Minuten bis wenige Stunden dauern. Die folgende amtliche Definition ist variabel, da sie sich jeweils auf einen bestimmten Ort bezieht:
Regen, der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität hat und daher selten auftritt, z. B. im Mittel höchstens zweimal jährlich.[8]
Starkregen einer Schauerstaffel über der Schwäbischen Alb im August 2003
Von Starkregen spricht man in Österreich, der Schweiz und Deutschland generell ab einer Menge von 5 mm in 5 Minuten, oder 17 mm pro Stunde.[9][10] Starkregenereignisse können jedoch wesentlich heftiger ausfallen. Ereignisse bei Gewittern, in denen in 30 Minuten 30 mm fallen, sind in Mitteleuropa relativ selten, können aber unter Umständen bereits zu überfluteten Kellern führen. Je stärker und länger anhaltend diese Ereignisse sind, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens. Kurze, aber heftige Niederschläge sind wahrscheinlicher als langanhaltende kräftige Niederschläge, die in wenigen Tagen in Mitteleuropa bis zu 200 mm Niederschlag bringen können.
Beispiele: Am 3. Juli 1975 fielen in Shangdi, Nei Monggol, China 401 mm in einer Stunde, und am 26. November 1970 38 mm Regen in einer Minute auf Basse-Terre, einer Insel von Guadeloupe.[11] (siehe auch: Niederschlagsrekorde)
Starkregen der Klimazonen
In den Tropen ist die Neigung zu Starkregen sehr hoch, insbesondere während der Regenzeit in der innertropischen Konvergenzzone (siehe Zenitalregen). Auch tropische Wirbelstürme führen zu hohen Niederschlagsmengen, vor allem an den Küsten. In Europa sind subkontinentale oder kontinentale Bereiche betroffen. In den Küsten- oder Seeklimaten der gemäßigten Zone treten Starkregenereignisse nur sehr selten auf.

Sprühregen

Sprühregen oder Nieselregen wird nach seiner Form definiert. Er kommt in den Tropen, Subtropen und gemäßigten Breiten vor und kann, abhängig vom Hauptereignis, Stunden bis Tage dauern. Sprühregen besteht aus kleinen Tröpfchen, die üblicherweise aus Stratuswolken fallen.[12] Die Tröpfchen haben einen Durchmesser, der kleiner als 0,5 Millimeter ist. Die Sicht ist bei Sprühregen oft eingeschränkt. Sprühregenschauer kommen nur über der See vor, fallen aus Stratocumuluswolken und werden auch als Miniaturschauer bezeichnet. Bei einer Niederschlagsintensität von bis zu 0,2 Millimeter je Stunde spricht man von einem leichten, bei 0,2 bis 0,5 Millimeter je Stunde von einem mäßigen und bei über 0,5 Millimeter je Stunde von einem starken Sprühregen.

Gefrierender Regen

Gefrierender Regen hat seinen Namen nach der Wirkung am Boden. Er kommt in den gemäßigten Breiten und Subpolargebieten vor und kann einige Minuten bis wenige Stunden dauern. In den Tropen und Subtropen kann gefrierender Regen nur im Gebirge auftreten. Gefrierender Regen hat eine Temperatur von über 0 °C, ist also nicht unterkühlt, und gefriert erst dann wenn er auf eine wesentlich kältere Oberfläche prallt. Das auf Fahrbahnen entstehende Glatteis hat in den gemäßigten Breiten meist gefrierenden Regen als Ursache.[13] Oftmals werden gefrierender Regen und Eisregen in einem Zusammenhang genannt, dies ist aber nicht korrekt.[14]

Unterkühlter Regen (Eisregen)

Eiskruste um das Geäst eines Strauches.
Unterkühlter Regen (ugs.: Eisregen), besteht aus unterkühlten Regentropfen, die wesentlich kälter als 0 °C, aber trotzdem noch flüssig sind.[15] Er wird nach seiner Form und Wirkung am Boden definiert und kann am ehesten in den Subpolargebieten, im Winter auch in den gemäßigten Breiten, vorkommen.
Unterkühlte Tropfen entstehen, wenn Regentropfen durch kalte und sehr reine Luftschichten fallen und auf Grund des Mangels an Kristallisationskeimen nicht gefrieren können. Da auf Grund der wenigen vorhandenen Kristallisationskeime auch Eiskörner entstehen können, treten Eisregen und Niederschlag mit Eiskörnern oft zusammen auf. Treffen unterkühlte Tropfen auf eine Oberfläche, gefrieren sie schlagartig und bilden im Verlauf eine bis zu mehreren Zentimetern dicke, harte und klare Eisschicht.[16] Auf Fahrbahnen führt dies wie bei gefrierendem Regen zu gefährlicher Straßenglätte, auf der selbst Autos mit Winterreifen kaum Halt finden. Gefährlich ist gefrierender Regen auch für Flugzeuge, da die Eisschicht das Flugzeug schwerer macht und das Tragflächenprofil verändert, was den Auftrieb deutlich vermindert.
Im Gegensatz zu Eis- oder gefrierenden Regen stehen bereits gefrorene Niederschläge wie Hagel, Graupel und Griesel oder Schnee. Diese entstehen bereits in den Wolken und fallen als fester Niederschlag zu Boden.

Warmer Regen

Warmer Regen ist nach seiner Wirkung am Boden (gefühlte Temperatur durch den Beobachter) definiert. Er entsteht, wenn tief liegende, warme und feuchte Luftmassen nur gering angehoben werden müssen, um ihre Sättigung zu erreichen und sich dabei fast nicht abkühlen. Dieses Phänomen kann am ehesten in den Tropen und Subtropen, in den Sommermonaten fallweise auch in gemäßigten Breiten, beobachtet werden. Warmer Regen tritt in gemäßigten Breiten meist bei Front- oder Steigungsregen auf. In den Tropen hingegen kann er sich auch unabhängig davon bilden, wenn warme, bodennahe und feuchte Luftmassen durch geringe lokale Strömungen (oder Konvektion) erneut angehoben werden.
Ein wärmeres Klima soll demzufolge mehr warmen Regen nach sich ziehen, dies begünstigt extremere Wetterereignisse. Laut einer Studie entfallen momentan rund 31 Prozent des gesamten globalen Niederschlags auf warmen Regen, in den Tropen sogar 72 Prozent.[17][18]

Lokale Formen

Lokale Formen sind Regenereignisse bzw. Regenformen die an ganz bestimmte Gebiete der Erde gebunden sind.

Tropenregen

Allgemein versteht man unter einem Tropenregen einen oft lange anhaltenden warmen Regen mit mäßiger Intensität, der in den Tropen oder Subtropen vorkommt. Er kann durch unterschiedliche Prozesse gebildet werden, als Hauptursachen gelten jedoch Steigungs- oder Konvektionsprozesse, in manchen Fällen auch Ausläufer von tropischer Wirbelstürmen. Alexander von Humboldt beschrieb Tropenregen als Konvektionsregen, der nur innerhalb der Wendkreise vorkommt.[19] Seiner und der allgemeinen[20] Definition zufolge befinden sich tropische Regenwälder im Gebiet des Tropenregens. In der Literatur wird aber warmer Regen teilweise mit Tropenregen gleichgesetzt.

Monsunregen

Monsunregen wird durch den Monsun hervorgerufen und kommt nur im Raum des Indischen Ozeans (Indien, Bangladesh, Ost-Australien, Ost-Afrika) vor.[21] Die Bezeichnung Tropenregen wird oft auch für monsunartigen Regen verwendet. Laut Definition handelt es sich bei Monsunregen um ein langfristiges Ereignis, das nach seiner Entstehungsform am ehesten dem Stauregen zuzuordnen ist. Monsunregen fällt über eine Periode von mehreren Wochen. Dabei sind mehrere abgesetzte und wenige Stunden dauernde, intensive Regenereignisse am Tag typisch.[22] (siehe dazu auch: Hauptartikel Monsun und Monsunregen)

Messung

Die Menge gefallenen Regens wird in „mm Niederschlagshöhe“ angegeben. Ein Millimeter Niederschlag entspricht einem Liter pro Quadratmeter (siehe dazu auch: Niederschlag).

Der klassische Regenmesser ist ein Gefäß, das herabfallende Regentropfen auffängt. Aus der Wassermenge im Behälter und der Größe seiner Öffnung kann der Niederschlag berechnet werden. Die ersten Regenmessungen wurden vor etwa 2000 Jahren in Indien gemacht, in Europa verwendete man im 17. Jahrhundert zum ersten Mal Regensammler. In den 1670er Jahren bewies Pierre Perrault mit Hilfe eines Regenmessers den Zusammenhang zwischen Regen und der Abflussmenge von Bächen und Flüssen. Bei starkem Wind sind Regensammler ungenau und erfassen tendenziell zu geringe Regenmengen, da Turbulenzen Regentropfen vom Sammler wegtragen. Die ersten Regenmesser wurden auf Dächern montiert, heute stellt man sie in Bodennähe auf, um den Windeinfluss zu verringern. Größe und Form der offiziellen Regenmesser sind von Land zu Land unterschiedlich. Ihre Vereinheitlichung scheiterte bisher daran, dass dadurch die Vergleichbarkeit mit langjährigen Aufzeichnungen eingeschränkt würde.

Neuere Methoden zur Regenmessung sind das Niederschlagsradar und Wettersatelliten, ein dichtes Netz von Regensammlern liefert allerdings genauere Werte.[23]

Zusammensetzung

Hauptbestandteil von Regen ist Wasser in flüssiger Form. Das Wasser kann eine Temperatur zwischen −40 °C (unterkühlt, aber nicht gefroren) und über 20 °C haben. Daneben kann der Regen je nach Entstehungsort weitere chemische Elemente und Verbindungen enthalten. Die Anreicherung des Regens mit zusätzlichen Stoffen reinigt die Luft, kann aber für das Regenwasser die Verunreinigung mit unerwünschten Substanzen mit sich bringen.

Die im Regen enthaltenen Stoffe können sowohl natürlichen Ursprungs als auch anthropogen, das heißt vom Menschen verursacht, sein.

Mit aufgewirbelter Gischt gelangen Na+, Cl, Mg2+ und K+ als Seesalz-Aerosol in die Atmosphäre. Im Regenwasser nehmen die Konzentrationen dieser Ionen landeinwärts ab. Dagegen stammen Ca2+, NH4+, HCO3 und NO3 im Niederschlag überwiegend aus dem über Landoberflächen fortgewehten Staub.[23] Aufgrund des gelösten Kohlendioxids hat unbelastetes Regenwasser einen pH-Wert von 5,6. In erster Linie natürlichen Ursprungs sind auch die im Regenwasser enthaltenen Spuren von Sauerstoff, Stickstoff, Ozon, Pollen und einigen flüchtigen organischen Verbindungen.

Durch den Menschen gelangen weitere Emissionen in die Atmosphäre, wie etwa Staub, Rauch und Verbrennungsabgase aus Industrie, Verkehr und Hausbrand. Sie können direkt oder in Form ihrer Umwandlungsprodukte die Zusammensetzung des Regenwassers beeinflussen.

Saurer Regen

In den überwiegend von Menschen verursachten Emissionen kommen auch Stoffe vor, die mit Wasser eine neue Verbindung eingehen können und Regen zu einer leicht sauren Lösung machen. Schwefeloxide (SOx) bilden mit Wasser Schwefelsäure (H2SO4), Stickoxide (NOx) bilden Salpetersäure (HNO3). Bekannt ist dieses Phänomen als saurer Regen, es kann in der Regel zu etwa zwei Dritteln auf die Verunreinigung mit Schwefelsäure und zu einem Drittel auf den Gehalt an Salpetersäure zurückgeführt werden.[23] In Mitteleuropa ging die Intensität des sauren Regens seit den frühen 1980er Jahren zurück. An den Messstationen des deutschen Umweltbundesamts stieg der pH-Wert des gesammelten Regenwassers zwischen 1982 und 2007 von 4,2–4,5 wieder auf 4,7–5,0 an.[24]

Basischer Regen

Als basischen Regen bezeichnet man Niederschlag, dessen pH-Wert höher ist als der pH-Wert, der sich in reinem Wasser durch den natürlichen Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre einstellt (pH = 5,6). Basischer Regen ist örtlich begrenzt und stellt das Gegenstück zu saurem Regen dar.

Fallgeschwindigkeit

Der kondensierende Wasserdampf bildet zunächst feinste Tröpfchen, die mit zunehmender Größe immer schwerer werden. Wenn die Gewichtskraft der Tropfen größer als die Auftriebskraft (durch Luftströmungen in der Wolke) und die Reibung im Fluid nach Stokes (in unserem Fall Luft) ist, beginnen die Regentropfen zur Erde zu sinken.

Das Gesetz von Stokes kann für kleine Tropfen bis 1 mm mit guter Näherung verwendet werden. Größere Tropfen verändern ihre Form auf Grund des Luftwiderstands und werden flachgedrückt, sie fallen turbulent. In diesem Fall ist der CW-Wert(Strömungswiderstandskoeffizient) geschwindigkeitsabhängig. Er verändert sich permanent während der Beschleunigung. Der Luftwiderstand der Tropfen nimmt mit dem Quadrat der Fallgeschwindigkeit so lange zu, bis die Gewichts- und Widerstandskräfte gleich groß geworden sind, dann fällt der Regentropfen mit (fast) konstanter Geschwindigkeit.

Tropfenform

Schwebender bzw. fallender Tropfen

Tropfen bis ~1 mm Durchmesser behalten ihre sphärische Form (Kugel), dann beginnen sie sich allerdings immer stärker zu verformen. Dadurch nimmt ebenfalls der Luftwiderstand weiter zu, und die Fallgeschwindigkeit bleibt nahezu konstant. Die Tropfengröße ist variabel, der größte bisher fotografierte Tropfen hatte einen Durchmesser von 9 mm, in der Regel jedoch zerplatzten Tropfen bereits ab 6 mm zu kleineren. Die Tropfenform ist anfangs kugelförmig, mit zunehmender Größe und dadurch resultierender Fallgeschwindigkeit verändert sie sich zu einem kugelschalenförmigen (fallschirmartigen, bzw. hamburgerförmigen) Körper.[14][25] Diese Form kann solange beibehalten werden, bis der Druck (hervorgerufen durch den Luftwiderstand) an der Innenseite (das ist die der Fallrichtung zugewandte Seite) so groß wird, dass er die Oberflächenspannung des Wassers überwindet. Die maximal erreichbare Größe eines Tropfens ist somit auch von der Zusammensetzung und Temperatur des ihn bildenden Wassers abhängig.

Berechnung

Das Kräftegleichgewicht von Gewichtskraft und Reibung bei konstanter Fallgeschwindigkeit bildet den Ansatz für die Berechnung mittels CW-Wert, oder mittels Gesetz von Stokes. Zur Vereinfachung werden keine Vorzeichen oder Vektoren verwendet, die Fallrichtung ist immer in Richtung Erde und der Luftwiderstand wirkt entgegen. Zusätzliche Einflüsse wie Luftströmungen (Auftrieb), Temperatur, Oberflächenspannung des Tropfens (Materialbeschaffenheit) oder veränderliche Form des Tropfens werden hier nicht berücksichtigt.

Kräftegleichgewicht, Ansatz für folgende Betrachtungen:

\begin{matrix}
\text{Gewichtskraft} &=& \text{Reibungskraft} \\
F_\mathrm{g} &=& F_\mathrm{r} \\
\end{matrix}


Folgende Größen werden hierbei verwendet:

Formelzeichen Beschreibung SI-Einheit Standardwerte
Fr Reibungskraft N
Fg Gewichtskraft N
g Erdschwerebeschleunigung m/s² (9,81 m/s²)
Cw Strömungswiderstandskoeffizient des Tropfens (~0,35 bis 1,3, geschwindigkeitsabhängig)
AT Kreisfläche des Tropfens als Widerstandsfläche
mT Masse des Tropfens kg
ρL Dichte der Luft kg/m³ (~1,3 kg/m³)
ρT Dichte des Tropfens (Wassers) kg/m³ (~990 kg/m³)
vT Geschwindigkeit des Tropfens m/s
r Radius des Tropfen m (0,0001 bis 0,003 m)
ηL Viskosität der Luft Pa·s (~17,1 µPa·s)

Die Fallgeschwindigkeit von Partikeln bis ~1 Millimeter nach dem Gesetz von Stokes ergibt sich aus folgender Kräftegleichung:


6\cdot \pi\cdot \eta_\mathrm{L}\cdot r\cdot v_\mathrm{T} = (\rho_\mathrm{T} - \rho_\mathrm{L})\cdot g\cdot\frac{4}{3} \cdot \pi \cdot r^3

Wenn \begin{matrix}\rho_\mathrm{L} \ll \rho_\mathrm{T}\end{matrix}, dann folgt für die Geschwindigkeit:


v_\mathrm{T} = \frac{2}{9}\cdot\frac{\rho_\mathrm{T}\cdot g}{\eta_\mathrm{L}}\cdot r^3

Mit dieser Formel lassen sich auch Sinkgeschwindigkeiten von Staubpartikel in der Luft berechnen. Diese können durch starke Winde (Wüstenstürme), Vulkanausbrüche, Kernwaffenversuche oder Meteoriteneinschläge in große Höhen (bis 30 Kilometer) der Atmosphäre gelangen. Bei langer Aufenthaltsdauer in Folge geringe Sinkgeschwindigkeit und einer großen Menge an Partikeln, kann es zu starker Abkühlung kommen. Man spricht dann, im Falle von Großereignissen (Supervulkanausbruch, große Meteoriteneinschläge, Atomkrieg), auch vom Nuklearen Winter.

Beispiel:[26] Die Absinkzeit eines Staubpartikels mit einer Größe von einem µm, der in eine Höhe von 20 Kilometer geschleudert wurde, beträgt nach obiger Formel somit 1,8 Jahre. Dies deckt sich recht gut mit allgemeinen Beobachtungen.

Für die Fallgeschwindigkeit von Partikeln zwischen ~1 Millimeter bis 3 Millimeter muss die Kräftegleichung angepasst werden. Je nach Gewicht und Tropfenform – die ja selbst wieder geschwindigkeitsabhängig ist – variiert der CW-Wert hier zwischen 0,35 (Kugel) bis 1,3 (fallschirmartig oder offene Halbkugel), aus:


m_\mathrm{T}\cdot g = C_\mathrm{w}\cdot A_\mathrm{T}\cdot \frac{\rho_\mathrm{L}}{2} \cdot {v}^2 \quad \text{mit} \quad  A_\mathrm{T} = 2\cdot \pi \cdot r^2

folgt für die Geschwindigkeit:

v = \sqrt\frac{8\cdot r\cdot g\cdot \rho_\mathrm{T}}{3\cdot C_\mathrm{w}\cdot \rho_\mathrm{L}}

Als grobe Abschätzung empfiehlt sich folgende Faustformel: Fallgeschwindigkeit in m/s ≈ 6 · Tropfendurchmesser in Millimeter (nur in einem Bereich von 0,5 bis max. 1,5 mm Tropfengröße annähernd richtig). Ein Tropfen der Größe 1 mm fällt mit einer Geschwindigkeit von etwa sechs m/s ≈ 20 km/h.

Wirkung

Regenpfützen

Regen ist die häufigste Form von Niederschlag und trägt dazu bei, den Wasserkreislauf zu schließen, der für das Leben auf der Erde ein entscheidender Faktor ist. Langfristig tragen die durch Regen gespeisten Bäche und Flüsse ganze Gebirge ab. Bei entsprechenden geologischen Verhältnissen können Schluchten und Canyons entstehen. Regen reinigt die Luft und wäscht Staub, Pollen und sonstige Partikeln aus. Er löst weiters Sauerstoff, Stickstoff, Kohlensäure, Schwefelsäure und Salpetersäure aus der Luft. Die gelösten Stoffe führen zu einer erhöhten Erosion und der Verwitterung von Gestein und Boden, sowie zu einer erhöhten Regenerosion bei Gebäuden, Maschinen und Anlagen (zum Beispiel an Flugzeugflügeln). Regen löst außerdem Mineralien aus Gestein und Boden, die als Nährstoff für Pflanzen sowie andere Lebensformen dienen.

Übermäßiger Regen kann langfristig zu einer Veränderung des lokalen Klimas (Mikroklima und Mesoklima), und in Folge auch zu einer Veränderung von Fauna und Flora führen. Ebenso kann dadurch eine Abspülung (Denudation), beziehungsweise flächenhafte Erosion oder Vernässung des Bodens erfolgen. Kurzfristiger übermäßiger Regen kann lokal zu Sturzbächen und Überflutungen führen. Bei Hanglagen und im Gebirge kann er Hang- oder Erdrutsche und Gerölllawinen hervorrufen.

Ausbleibender Regen führt langfristig zu Dürre und somit zu einer Veränderung des lokalen Klimas, was ebenso Veränderungen bei Fauna und Flora hervorrufen kann. Dieser Prozess fördert die Desertifikation. Durch die verringerte Regenerosion bleiben aber Bauwerke, Anlagen und Maschinen unter Umständen länger erhalten (siehe: Pyramiden von Gizeh). Kurzfristig ausbleibender Regen (Austrocknung) verändert das lokale Klima nicht und stellt somit keine Bedrohung für Fauna und Flora dar.

Kulturgeschichte

Regengott Quetzalcoatl (gefiederte Schlange)
Teotihuacán (von der Mondpyramide aus)

Gewitter und Sturm sowie mit ihnen Blitz, Donner, Wolken, Regen und Wind gehören zu jenen Naturphänomenen, die dem Zugriff des Menschen entzogen sind, aber in agrarischen Gesellschaften eine unmittelbare Bedeutung für sein Überleben haben. In zahlreichen Kulturen, insbesondere solchen in von Dürre und Trockenheiten geplagten Gebieten, wurde der Regen geradezu mythisch verehrt. Vielfach versuchte man dem erhofften Niederschlag durch magische Praktiken nachzuhelfen; ein Beispiel hierfür sind die Regentänze verschiedener afrikanischer und indigener Völker. In vielen Kulturen finden sich aus diesem Grund auch Regen- oder Wettergötter wieder. Die Menschen versuchten dabei mit Ritualen und Zeremonien ihre Regen- und Wettergötter milde zu stimmen. Einerseits gab es Zeremonien um genügend Regenwasser für den Ackerbau, andererseits gab es welche um nicht zu viel Regen zu erbitten. Diese Zeremonien hingen von der Kultur und den Umweltbedingungen der Völker ab.

In Teotihuacán, einer altertümlichen Metropole in Mexiko, wurde der Regengott Quetzalcoatl („gefiederte Schlange“) verehrt. Er war die oberste Gottheit dieser Stadt und sorgte dafür, dass die Bauern ihre Ernte einfahren konnten und niemand Hunger leiden musste. Als oberste Gottheit war sein Ebenbild auf vielen Gebäuden Teotihuacáns präsent. So wurde auch eine Pyramide nach ihm benannt und erhielt den Namen Quetzalcoatl-Pyramide („Pyramide der Gefiederten Schlange“). Quetzalcoatl wurde später von den Azteken, Tolteken und Mayas verehrt.[27][28] Die Mayas hingegen erbrachtem dem Regengott auch Menschenopfer, wodurch er später als blutrünstige Gottheit dargestellt wurde.[29]

In allen altorientalischen Regionen und Epochen wurden Gewitter und Sturm als numinose Gewalt empfunden. Überall galt einer der großen Götter als die Verkörperung von und als Herr über Gewitter, Sturm und die damit einhergehenden Phänomene wie den Regen. Die relative Bedeutung der jeweiligen Wettergötter war unter anderem auch von den Umweltbedingungen in den jeweiligen Regionen abhängig. So spielt etwa der Wettergott als Regenspender in den agrarischen Ritualen des vom Bewässerungsfeldbau geprägten Babylonien keine Rolle, während seine Eigenschaft als Herr über den zerstörerischen Sturm prominent hervortritt. Die Verbindung von Wetter- und Berggöttern ist typisch für Landschaften, in denen sich wolkenverhangene Berge beobachten lassen. Insgesamt nehmen die Wettergötter in den stärker vom Regenfeldbau geprägten Gebieten des Alten Orients, also in Obermesopotamien, Syrien, Anatolien und auch in Assyrien eine bedeutendere Stellung unter den großen Gottheiten ein als in Babylonien.

Auch in China war der Regen Symbol für Fruchtbarkeit und Zeugung. Nach alten mythologischen Vorstellungen erzeugte ihn der Drache mit Hilfe von Bällen. Unter Wolken-und-Regen-Spiel verstand man damals in China auch die geschlechtliche Vereinigung von Mann und Frau.

Die Astronomie, speziell die Beobachtung von Mond und Sonne, sowie die Schlussfolgerung auf den Gang der Jahreszeiten hatten ihre Ursprünge mit Aufkommen der Jagd und des Ackerbaus. Ab diesem Zeitpunkt war der Bedarf an gesicherten Informationen über die Jahreszeiten und das Wetter, sowie über den Regen, gegeben. Bauern wollten wissen, wann sie Ihre Saat ausbringen und Ernte einfahren mussten. Dies war vor mehreren tausend Jahren überlebenswichtig. Da viele Wetterereignisse von den Jahreszeiten abhingen, entwickelten sich erste Kalender und Observatorien, wie das Sonnenobservatorium von Goseck. Die Astronomie wurde, erst später in Ihrer Funktion als „wettervorhersagende“ Wissenschaft von der Meteorologie abgelöst, bestimmte aber bis in die Neuzeit hinein die Berechnung von meteorologischen und wiederkehrenden Ereignissen entscheidend mit.[30] Erst um 1600, als Galileo Galilei (1564-1642) das erste Thermometer baute, begann die systematische Wetterkunde.[31]

Einzelnachweise

  1. Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Erde und Planeten. Bd. 7. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2001. Seite 191.
  2. Prof. Dr. Wolfram Mauser: Internetvorlesung: Einführung in die Hydrologie - Niederschlag. Ludwig-Maximilians-Universität München, 10.11.2008.
  3. Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Erde und Planeten. Bd. 7. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2001. Seite 192.
  4. Paul Koppe, Alfred Stozek: Kommunales Abwasser. 4. Auflage. Vulkan-Verlag GmbH, Essen 1999.
  5. a b Joachim Blüthgen, Wolfgang Weischet: Allgemeine Klimageographie. 3. Auflage. Walter de Gruyter, 1980.
  6. Reinhard Joachim Süring, Julius von Hann: Leitfaden der Meteorologie: nach Hann-Sürings Lehrbuch der Meteorologie. Tauchnitz, 1927.
  7. scinexx: Eine kleine Regenkunde - Landregen. Springer-Verlag, Heidelberg, 2004.
  8. Berlin (Deutschland, Bundesrepublik) (1994): DIN 4049-3, Oktober 1994. Hydrologie – Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie. Beuth Verlag GmbH.
  9. SWR: Wetterlexikon - Wie ist Starkregen definiert. SWR (ARD), Stuttgart. 2009.
  10. MeteoSchweiz: Starkregen. MeteoSchweiz, Basel. 2009.
  11. WMO - World Meteorological Organization (1995): „Annual Report of the World Meteorological Organization 1994“. ISBN 92-63-10824-2.
  12. scinexx: Eine kleine Regenkunde - Nieselregen. Springer-Verlag, Heidelberg, 2004.
  13. Wetterlexikon: Gefrierender Regen. Wolfgang Winkelbauer, Wien. 2009.
  14. a b Dr. Ulrich Fölsche: Vorlesung: EF Meteorologie WS08/09. Karl-Franzens-Universität Graz, 2008.
  15. MeteoSchweiz: Eisregen. MeteoSchweiz, Basel. 2008.
  16. Deutscher Wetterdienst: Eisregen. Wetterlexikon, DWD. 2009.
  17. scinexx: Mehr warmer Regen in einer wärmeren Welt. NASA/Goddard Space Flight Center, 2004.
  18. Springer: Mehr warmer Regen in einer wärmeren Welt. NASA/Goddard Space Flight Center, 2004.
  19. Wilhelm Constantin Wittwer: Alexander von Humboldt. Weigel, 1860.
  20. Deutscher Wetterdienst: Tropen. Wetterlexikon, DWD. 2009.
  21. wetter.net: Wetterlexikon: Monsunregen. Q.met GmbH, Wiesbaden. 2009.
  22. Wetterlexikon: Monsunregen. Wolfgang Winkelbauer, Wien. 2009.
  23. a b c R. C. Ward, M. Robinson: Principles of Hydrology. 3. Auflage. McGraw-Hill Book Company, London 1989, ISBN 0-07-707204-9.
  24. Umweltbundesamt: Nasse Deposition saurer und säurebildender Regeninhaltsstoffe an UBA-Messstationen. Stand November 2008
  25. scinexx: Vom Molekül zum Regentropfen - Hamburger im freien Fall. Springer-Verlag, Heidelberg, 2004.
  26. Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Mechanik, Relativität, Wärme. Bd. 1. 11. Auflage. Walter de Gruyter, 1998.
  27. Teotihuacán. nationalgeographic.de (Text: George E. Stuart - Fotos: Kenneth Garrett). Abgerufen am 31. Jänner 2009.
  28. Die Pyramiden von Teotihuacán. helles-koepfchen.de. Abgerufen am 31. Jänner 2009.
  29. Fünf Tode für den Regengott mit dem langen Rüssel. Spiegel Online. Abgerufen am 31. Jänner 2009.
  30. Prof. Max Lippitsch: Vorlesung: Geschichte der Physik. Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.
  31. discovery.de Geschichte der Meteorologie, abgerufen 20.03.2009

Literatur

  • Gösta H. Liljequist, Konrad Cehak (1994): Allgemeine Meteorologie. 3. Auflage. Springer. ISBN 3-528-23555-1
  • Dieter Walch (2000): So funktioniert das Wetter. München. ISBN 3-405-15945-8
  • Bergmann Schaefer (2001): Lehrbuch der Experimentalphysik: Erde und Planeten. Bd. 7. 2. Auflage. Walter de Gruyter. ISBN 3-11-016837-5
  • Bergmann Schaefer (1998): Lehrbuch der Experimentalphysik: Mechanik, Relativität, Wärme. Bd. 1. 11. Auflage. Walter de Gruyter. ISBN 3-11-016837-5
  • Berthold Wiedersich (2003): Taschenatlas Wetter. Klett. ISBN 3-623-00021-3
  • Wolfgang Kühr (1991): Der Privatflugzeugführer: Flugwetterkunde. Bd. 2. Friedrich Schiffmann. ISBN 3-921270-08-1

Siehe auch

Weblinks


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