Am Mittwoch, teils auch am gestrigen Donnerstag, brachten außergewöhnliche Wetterereignisse den normalen Alltag vieler Bundesbürger ganz schön durcheinander. "Eis-Hexe GERTRUD" (Schlagzeile einer bekannten deutschen Tageszeitung) bescherte dem Süden und der Mitte Deutschlands gebietsweise erhebliche Glätte durch gefrierenden Regen, Eisregen und Schnee. Gemeint war Tief GERTRUD mit seiner ausgeprägten Luftmassengrenze quer über Deutschland. Diese Luftmassengrenze trennte kalte Polarluft im Norden von subtropischer Warmluft im Süden. Treffen solche unterschiedlichen Luftmassen aufeinander, ist dies meist mit kräftigen Niederschlägen verbunden, die auf der kalten Seite als Schnee und auf der warmen Seite als Regen fallen (Abbildung 1). Im Übergangsbereich kommt es oft zu einer Zone mit "unterkühltem Regen" (umgangssprachlich als "Eisregen" bezeichnet), der spiegelglatte Straßen und dicke Eispanzer an Gegenständen und der Vegetation verursachen kann. Wie diese unterschiedlichen Niederschlagsarten entstehen und warum nicht nur Schnee, sondern auch Regen erhebliche Glätte nach sich ziehen kann, klären wir im heutigen Thema des Tages.
Niederschlag entsteht, wenn in einer Wolke Wassertropfen und Eiskristalle zum Beispiel an Frontensystemen oder an Gebirgszügen zum Aufsteigen gezwungen werden. Dabei kühlen sich die Teilchen ab, stoßen mit anderen zusammen, verschmelzen miteinander zu größeren Teilchen oder ändern ihre Phase von Wasser zu Eis. Diese komplexen Vorgänge der Niederschlagsbildung werden im sogenannten "Bergeron-Findeisen-Prozess" beschrieben, der heute aber nicht Thema sein soll. Um abzuleiten, welche Niederschlagsart am Boden ankommt, verfolgen wir den Weg der bereits gebildeten Niederschlagsteilchen vom oberen Bereich der Wolke bis zum Erdboden. Dieses Vorgehen wird als "Top-Down-Methode" bezeichnet und kann anhand von gemessenen (Radiosondenaufstiege) oder vorhergesagten Vertikalprofilen von Temperatur und Taupunkt vollzogen werden.
Zunächst muss der Oberrand der Wolke bestimmt werden. Innerhalb der Wolke ist die Luft gesättigt, die Kurven von Temperatur und Taupunkt liegen also übereinander. Im Vertikalprofil von Abbildung 2 ist dies zwischen 950 hPa (ca. 500 m über Meeresniveau) und 530 hPa (ca. 5,3 km ü. NN) der Fall. Darüber gehen die Kurven auseinander, die Luft ist also nicht mehr gesättigt und es sind somit keine Wolken vorhanden. Ist die Wolkenoberkante bestimmt, kommt es auf die Temperatur in dieser Höhe an. Anders als es der Laie vermuten würde, findet man in der Wolke auch bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt weiterhin flüssige Wassertropfen vor. Diese haben trotz ihrer flüssigen Phase eine Wassertemperatur unter 0 °C und man spricht von "unterkühlten Wassertropfen". Studien haben gezeigt, dass bei Temperaturen über -10 °C am Oberrand der Wolke diese mit hoher Wahrscheinlichkeit nur aus unterkühlten Wassertropfen bestehen. Erst bei etwa -10 °C befinden sich in 60 % der Wolken Eiskristalle, bei -15 °C ist dies in 90 % der Wolken der Fall.
Im Beispiel von Abbildung 2 liegt die Temperatur am Oberrand der Wolke bei etwa -15 °C (zum Ablesen der Temperatur verfolgen Sie hierzu die diagonal von oben rechts nach unten links verlaufenden durchgezogenen Linien). Somit ist auszugehen, dass in dieser Wolke Schneekristalle gebildet wurden. Nun verfolgen wir den Weg dieser Schneeflocken bis zum Boden. Sie gelangen dabei zwar in wärmere Luftschichten, die Temperaturkurve bleibt aber bis zum Boden unter dem Gefrierpunkt (blaue Linie). Die Schneeflocken können also auf ihren Weg nach unten nirgendwo schmelzen, sodass es am Erdboden zu Schneefall kommt.
Anders sieht es im Profil von Abbildung 3 aus. Auch hier werden in der Wolke wahrscheinlich Schneekristalle gebildet, da die Temperatur am Oberrand der Wolke (ca. 570 hPa; 4,6 km ü. NN) bei etwa -12 °C liegt. In diesem Beispiel gelangen die Schneeflocken beim freien Fall in Luftschichten mit Temperaturen über dem Gefrierpunkt (rote Fläche zwischen 840 und 930 hPa bzw. 1600 und 700 m ü. NN). Diese "warmen Nasen" entstehen, wenn wärmere Luftmassen auf bodennahe Kaltluftschichten aufgleiten, wie es häufig bei Warmfronten oder Luftmassengrenzen der Fall ist. Als Faustregel kann man annehmen, dass Temperaturen von +3 °C für das komplette Schmelzen der Schneeflocken benötigt werden. Bei +1 bis +3 °C schmelzen die Schneekristalle teilweise (d.h. Schneeregen am Boden) und bei weniger als +1 Grad fällt am Boden meist (nasser) Schnee. In unserem Fall schmelzen die Schneeflocken komplett zu Regentropfen. Diese gelangen in den untersten 500 Metern wieder in kalte Luftschichten unter 0 °C (blaue Fläche). Somit werden die Tropfen wieder abgekühlt und erreichen als "unterkühlter Regen" bzw. "Eisregen" den Boden.
Durch den mechanischen Impuls beim Auftreffen auf den Boden oder anderen Gegenständen kristallisieren diese Wassertropfen schlagartig zu Eis. Bei hohen Regenmengen können sich dicke Eispanzer bilden, die zu Eisbruch an Bäumen und berstenden Stromleitungen führen können. Auf Straßen und Wegen kommt es zu erheblicher Eisglätte, die im Volksmund wegen ihres schlagartigen Auftretens oft als "Blitzeis" bezeichnet wird und wogegen präventiv ausgebrachtes Streusalz auch nur begrenzt hilft. Dieses schlagartige Gefrieren können Sie übrigens selbst in einem Versuch beobachten, indem Sie Wasser in einer Plastikflasche für wenige Stunden ins Gefrierfach legen, die Flasche anschließend ganz vorsichtig herausnehmen und kurz auf den Tisch stoßen. Durch den Aufprall kristallisiert binnen weniger Sekunden das gesamte unterkühlte Wasser zu Eis.
Im dritten Beispiel handelt es sich um sogenannten "gefrierenden oder unterkühlten Sprühregen" (Abbildung 4). Am vorletzten Donnerstag (11. Januar) und in der darauffolgenden Nacht kam es in einem Streifen von NRW über Süd-Niedersachsen und Sachsen-Anhalt bis nach Berlin und Brandenburg zu spiegelglatten Straßen und zahlreihen Verkehrsunfällen. An diesem Tag wurde eine Hochnebeldecke durch einen herannahenden Trog geringfügig gehoben (siehe Thema des Tages vom 14. Januar). Die Stratus-Wolkenschicht reichte nur bis zu einer ausgeprägten Absinkinversion, in unserem Vertikalprofil in 920 hPa (ca. 800 m ü. NN). Da dort eine Temperatur von nur -3 °C vorherrscht, besteht diese Wolke aus unterkühlten Wassertropfen. Die Temperatur bleibt bis zum Boden unter dem Gefrierpunkt. Folglich kommt es am Boden zu "gefrierenden Sprühregen", der wie Eisregen zu Glatteis führt. Anders als beim klassischen "unterkühlten Regen" spielen hier schmelzende Schneekristalle in einer warmen Luftschicht keine Rolle.
Glätte kann zuletzt auch dann entstehen, wenn "normaler" Regen (d.h. keine unterkühlten Tropfen) auf kalte Oberflächen trifft. Wurden Böden und Straßenbeläge während einer Kälteperiode durchgefroren, gefriert das Regenwasser ebenfalls zu Eis. Man spricht in diesem Fall von Glatteis durch "gefrierenden Regen". Da dieser Prozess nicht so schlagartig wie bei unterkühltem Regen vonstattengeht, kann präventives Behandeln von Straßen mit Streusalz starker Glättebildung entgegenwirken.