Wolken sind eine zentrale Komponente des Klimasystems der Erde. Besonders relevant sind Mischphasenwolken, die gleichzeitig winzige Wassertröpfchen und Eiskristalle enthalten. Sie spielen eine wesentliche Rolle für den globalen Niederschlag und den Energiehaushalt der Erde.
Allerdings gibt es in der Atmosphärenforschung ein großes Rätsel: Messungen zeigen in diesen Wolken oft eine weitaus höhere Konzentration von Eiskristallen, als durch die bloße Anwesenheit natürlicher Eiskeime erklärt werden könnte. Diese Diskrepanz wird der sogenannten sekundären Eisproduktion zugeschrieben. Das sind Prozesse, die die Eiskristallanzahl erhöhen, ohne dass dafür zusätzliche Eiskeime notwendig sind. Trotz ihrer Bedeutung sind diese Prozesse bisher nur unzureichend verstanden und quantifiziert.
Forschende aus Leipzig und ihre Partner in Finnland und Karlsruhe haben nun in einer im Fachmagazin Communications Earth & Environment veröffentlichten Studie einen dieser Prozesse detailliert untersucht: die Fragmentierung gefrierender Regentropfen.
Nils Pfeifer erklärt: „Der Mechanismus der Fragmentierung beim Gefrieren ist faszinierend. Er tritt auf, wenn Regen durch eine kalte Luftschicht fällt, deren Temperatur unter 0 °C liegt. Die Regentropfen beginnen unter gewissen Bedingungen zu gefrieren und bilden an ihrer Oberfläche zunächst eine Eisschicht, die flüssiges Wasser im Inneren einschließt. Da sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt, steigt der Innendruck in dieser Eishülle an. Dieser Überdruck kann schließlich dazu führen, dass die Eisschale platzt, sich verformt oder Risse bekommt. Dabei werden winzige Eissplitter in die Umgebung freigesetzt, die wiederum zu größeren Eiskristallen anwachsen können”
Bisher ist unklar, ob und wie effizient dieser Prozess unter realen Bedingungen abläuft. Hier setzt die neue Studie an. Mittels eines Wolkenradars und eines am Boden aufgestellten Kamerasystems (Video In Situ Snowfall Sensor), welches die Niederschlagspartikel im freien Fall direkt in hoher Auflösung filmt und vermisst, konnte das Auftreten dieses Phänomens bestätigt und quantifiziert werden. Die Wissenschaftler ermittelten, dass zwischen 1.2 und 6.1 sekundäre Eiskristalle pro Tropfen produziert worden sind. Diese Zahlen zeigen, dass die Fragmentierung von Regentropfen eine effektive Quelle für die Erzeugung neuer Eiskristalle ist. Eine Schlüsselerkenntnis der Studie liegt außerdem in der Aktivität der Fragmentierung bei relativ hohen Temperaturen.
Diese Beobachtungen tragen maßgeblich dazu bei, die Bedeutung dieses bisher eher unterschätzten Prozesses zu belegen. Eine präzisere Abbildung dieses Phänomens in Wettermodellen könnte genauere Vorhersagen über Niederschlag und Wolkenentwicklung ermöglichen.
Der Artikel basiert auf der Veröffentlichung:
Pfeifer, N. et al. Efficient ice multiplication from freezing raindrop fragmentation. Commun Earth Environ 6, 942 (2025). DOI:/10.1038/s43247-025-02953-3