mini|hochkant=1.5|Regentropfen in einer Pfütze mini|hochkant=1.5|Regenfront über der Müritz mini|hochkant=1.5|Regenschleier über Amrum (2021)
Regen bezeichnet ein Wetterereignis und die am häufigsten auftretende Form von Niederschlag. Regen besteht aus Wasser, das als Dampf in Wolken gespeichert war und nach dem Kondensieren in Tropfen zur Erdoberfläche herunter fällt.
Regentropfen binden Staub und Aerosole, die in die Atmosphäre aufgestiegen sind. Diese Bestandteile bestimmen den pH-Wert des Regens.
Die Regenformen werden nach Entstehung, Dauer, Intensität, Wirkung und geografischem Vorkommen unterschieden.
Fester Niederschlag, z. B. Hagel, Graupel oder Schnee, besteht aus gefrorenem Wasser und Kondensationskeimen und tritt auch gemischt mit Regen auf.
Entstehung mini|Dimensionen (Keim, Wolken- und Regentropfen) mini|Tonaufnahme: Regen fällt auf ein Autodach
Die Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre erfolgt durch Abkühlung und Aerodynamik.
Vor allem hydrophile Staubpartikel wie Ammoniumverbindungen wirken bereits bei üblichen Luftfeuchten von 60–70 % als Kondensationskerne, während hydrophobe Partikel wie Ruß erst bei Feuchtesättigung, d. h. bei 100 % Luftfeuchte bzw. Übersättigung, dazu in der Lage sind. Auch der Gefrierpunkt bzw. Taupunkt der Aerosolpartikel wird von vielen Faktoren beeinflusst.
Daher kann hier auch das Phasendiagramm der theoretischen Thermodynamik, bei dem Wasser immer bei 0 °C gefriert, nicht angewendet werden.
Allgemein Ausgangspunkt jedes Regens sind Wolken, die aus feinen Eiskristallen oder Wolkentröpfchen (Wassertropfen mit 5 bis 10 μm Durchmesser) bestehen. Sie bilden sich infolge der Abkühlung einer feuchten Luftmasse beim Aufstieg in der Erdatmosphäre, wenn der Taupunkt unterschritten wird. Je nach Höhe und herrschender Temperatur bilden sich entweder Eiskristalle an Kristallisationskeimen durch 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, beginnen sie aufgrund 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.
mini|Regenblasen Bei starkem Regen sind Regentropfen verhältnismäßig groß und an der Unterseite stark abgeflacht, so dass sich beim Auftreffen auf der Wasserpfütze ein Luftpolster bildet. (Die Form dieser Regentropfen ähnelt der eines auf dem Kopf liegenden Brötchens.) Beim Verbinden der großen Tropfen mit der Wasseroberfläche wird das Luftpolster eingeschlossen und es bildet sich eine Regenblase.
Tropfenwachstum in warmen Wolken mini|Regentropfen auf einem Flugzeugfenster mit deutlich erkennbaren Eiskernen
Warme Wolken sind Wolken, in denen nur flüssiges Wasser vorkommt.Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Erde und Planeten, Bd. 7, 2. Auflage, Walter de Gruyter, 2001, Seite 191. 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 Regentröpfchen allein durch das Aufsammeln von Wasserdampf (Dampfdiffusion)Wolfram Mauser: Ludwig-Maximilians-Universität München, 10. November 2008. ist wenig effizient und recht langsam (siehe auch Ostwald-Reifung).
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- und 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, bei einer Berührung stoßen sie sich jedoch mit einer größeren Wahrscheinlichkeit wieder ab und bleiben dabei unverändert, wohingegen kleine Tropfen eher mit großen zusammenwachsen. Das Produkt aus Kollisions- und Koaleszenzeffizienz nennt man auch Akkretionseffizienz; (lat. accretio für Anwachsen) 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.Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Erde und Planeten. Bd. 7. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2001. Seite 192. 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 nochmals Schichten von Wolken mit Wolkentropfen (bei unterkühlten Wolken oder Gewitter-Wolken) beziehungsweise Wasserdampf. Durch Akkretion wachsen sie dort weiter an, der Prozess ähnelt dann jenem in warmen Wolken.
Messung Bei der Messung gefallenen Regens wird die Menge in Liter pro Quadratmeter oder, wie in der Meteorologie üblich, die Höhe in „Millimetern“ angegeben. Es gilt:
Ein Millimeter Niederschlagshöhe entspricht somit einem Liter Niederschlagsmenge auf einem Quadratmeter. Diese Angabe entspricht auch der Höhe, um die der Wasserspiegel in einem Auffanggefäß (z. B. einer leeren Konservendose) steigen würde.
Der klassische Regenmesser ist daher auch 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 vorgenommen, in Europa verwendete man Regensammler zum ersten Mal im 17. Jahrhundert. 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.
Weiterhin gibt es noch Regensensoren – diese dienen nicht der Messung, sondern lediglich der Steuerung technischer Prozesse.
Regenformen Definition ausschließlich nach Menge und zeitlichem AnfallPaul Koppe, Alfred Stozek: Kommunales Abwasser. 4. Auflage. Vulkan-Verlag GmbH, Essen 1999. RegenschauerNiederschlagsmenge in 10 Minuten RegenNiederschlagsmenge in einer Stunde Definition Menge / 10 Min. Definition Menge / Stunde leicht 0,1 bis 0,4 mm leicht 0,1 bis 0,5 mm mäßig 0,4 bis 2 mm mäßig 0,5 bis 4 mm stark 2 bis 8 mm stark 4 bis 10 mm sehr stark ab 8 mm
Abhängig von meteorologischen und geografischen Bedingungen gibt es unterschiedliche Formen von Regen. Die Klassifikation von Regen kann nach Dauer oder Intensität beziehungsweise nach Entstehung, räumlichen Vorkommen, Wirkung am Boden oder dem Empfinden eines Betrachters erfolgen. Man kann ein und dasselbe Regenereignis in verschiedene Kategorien einordnen, abhängig von der Perspektive des Beobachters – hier einige Beispiele:Monjo, R. (2016): Measure of rainfall time structure using the dimensionless n-index. Climate Research, 67: 71-86, doi:10.3354/cr01359. Wenn der Meteorologe von einem länger anhaltenden Frontregen spricht, wird dieser von der Allgemeinbevölkerung landläufig eher als Dauerregen betrachtet. Konvektionsregen über den Tropen wird auch als Tropenregen oder, wenn so gefühlt, als warmer Regen aufgefasst. Monsunregen ist von der Entstehung her Steigungsregen oder Frontregen, am Boden wird dabei oft Starkregen beobachtet.
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 (orografischer Regen) mini|Steigungsniederschläge fallen als Steigungsregen oder als Schnee je nach der Ausgangstemperatur der ankommenden Luftmassen und nach der Höhe des Gebirges. Davon und vom Gehalt der Luftmassen an gasförmigem Wasserdampf hängt die Wolkenbildung ab und wie ergiebig die Steigungsniederschläge dann sind.
Steigungsregen (Steigungsniederschlag) oder auch Stauregen (flüssige Form orografischen Niederschlags) entsteht, wenn Wind feuchte Luft vom Meer oder Flachland an Gebirgszügen oder anderen orografischen Erhebungen (Luv-Seite) aufsteigen lässt.Joachim Blüthgen, Wolfgang Weischet: Allgemeine Klimageographie. 3. Auflage. Walter de Gruyter, 1980. Steigungsregen kommt in den Tropen, Subtropen und gemäßigten Zonen vor. Er kann Stunden bis wenige Tage andauern, in seltenen Fällen auch mehrere Wochen.