Raureif in der Nacht zum 22. Dezember 2007

Nebel, leichter Wind und Temperaturen deutlich unter 0 °C sind die Voraussetzungen für die Bildung einer besonderen Niederschlagsform, die nicht allzu oft beobachtet werden kann: Raureif.

In weiten Teilen Norddeutschlands herrschten in der Nacht vom 21. auf den 22. Dezember 2007 geeignete Bedingungen für die Bildung von Raureif, so dass sich die Landschaft am nächsten Morgen in winterlichem Weiß präsentierte, ohne dass Schnee gefallen wäre. Sowohl der Boden als auch Bäume, Zäune und dergleichen waren mit feinsten Eiskristallen bedeckt, oft in Form filigraner Nadeln.

Exkurs in die Thermodynamik

Zunächst einmal gibt es zwei Möglichkeiten, wie sich Eis in feuchter, nebliger Luft bilden kann: Zum einen können natürlich die Nebeltröpfchen selbst, die mangels Gefrierkeimen auch bei Temperaturen unter 0 °C aus flüssigem Wasser bestehen, beim Auftreffen auf einer Oberfläche oder bereits vorhandenem Eis gefrieren. Zum anderen kann das in der Luft enthaltene gasförmige Wasser, das die Luftfeuchtigkeit ausmacht, direkt von der gasförmigen Phase in die feste Eisphase an der Oberfläche übergehen, ohne zwischendurch flüssig zu werden. Man spricht hierbei von Resublimation (Umkehrung von Sublimation, dem Verdampfen eines festen Stoffes).

Sowohl beim Gefrieren als auch bei der Resublimation ist jedoch zu beachten, dass dabei Wärme frei wird, die als Kristallisations- bzw. Resublimationswärme bezeichnet wird. Es ist dies dieselbe Wärmemenge, die man umgekehrt zum Schmelzen bzw. Verdampfen des Eises zuführen müsste. Die frei werdende Kristallisationswärme ist der Grund dafür, dass Wasser in einem Gefäß oder Gewässer nur in einem langsam fortschreitenden Prozess bei ständigem Wärmeentzug gefrieren kann. Im Falle von unterkühlten Nebeltröpfchen reicht die Kristallisationswärme jedoch nicht aus, die Temperatur auf über 0 °C zu erhöhen. Das Wasser gefriert deshalb schlagartig komplett zu Eis, das anschließend etwas wärmer ist, als das Wasser vorher war.

Soll der Gefrier- oder Resublimationsprozess sich nicht selbst beenden, indem Kristallisations- und Resublimationswärme zu einer Temperaturerhöhung führen, muss die frei werdende Wärme nach außen abgegeben werden. Dies geschieht vor allem durch Wärmeleitung in die Oberfläche oder an die vorbeistreichende Luft, wenn diese etwas kälter sind als das gerade neu gebildete Eis, oder durch Abstrahlung in Form von Wärmestrahlung insbesondere bei wolkenlosem oder gering bedecktem Himmel.

Reif, Raureif & Co

Reif entsteht, wenn ausschließlich Resublimation vorliegt. Voraussetzung hierfür ist eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit ohne Nebel. Die Lufttemperatur kann sogar etwas über 0 °C liegen, nur die Oberfläche muss kälter als 0 °C sein. Wird die Resublimationswärme abgestrahlt, spricht man von Strahlungsreif. Wird sie von der Luft durch Wärmeleitung abtransportiert, liegt Advektionsreif vor.

Bei Anwesenheit von Nebeltröpfchen tragen beide Prozesse zur Bildung des Eises bei. Überwiegt die Resublimation, können sich die filigranen Eisnadeln bilden, der Raureif. Lagern sich dagegen bei Temperaturen knapp unter 0 °C vor allem Nebeltröpfchen langsam an das vorhandene Eis an, bildet sich Klareis. Haben beide Prozesse Anteil an der Eisbildung, so entsteht bei niedrigeren Temperaturen bis etwa –10 °C Raueis, in dem aufgrund des schnelleren Gefriervorgangs kleine Luftbläschen eingeschlossen sind. Raureif, Klareis und Raueis werden auch unter der Bezeichnung Nebelfrostablagerungen zusammengefasst.

Reif und Raureif, die hauptsächlich durch Resublimation entstehen, wachsen dem anströmenden Wind entgegen, denn durch das Anlagern von Wassermolekülen bereits an der Spitze verringert sich die Luftfeuchtigkeit und damit das Bestreben der übrigen Wassermoleküle, ebenfalls zu resublimieren.

Der interessierte Leser möge noch beachten, dass sich die Begriffsdefinitionen im Laufe der Zeit geändert haben. So bezeichnet F. Möller in seinem Standardlehrbuch „Einführung in die Meteorologie“ (1973) den heutigen Raureif als Raufrost und nennt stattdessen den Strahlungsreif Reif und den Advektionsreif Raureif. Außerdem änderten sich die Schreibweisen mit der Rechtschreibreform (vormals „Rauhreif“ und „Rauhfrost“).

Zurück zum Wettermast

In der Nacht zum 22. Dezember 2007 herrscht in Billwerder dichter Nebel. Das Ceilometer, das eigentlich die Wolkenhöhe misst, zeigt deshalb bereits vom Boden an ein starkes Signal (gemessen wird die Rückstreuung eines Laserstrahls an den Wassertröpfchen in der Luft, beginnend bei 30 m Höhe).

Die erste Grafik zeigt das gesamte Profil bis 8000 m Höhe, wie wir es normalerweise darstellen. Man sieht, dass die Nebelschicht tagsüber etwas angehoben wird und nachts wieder bis zum Boden absinkt. Ab 11 Uhr morgens des zweiten Tages lichtet sich der Nebel schließlich und es folgt ein wolkenloser, sonniger Tag.

Die zweite Darstellung zeigt nur die untersten Schichten bis 500 m Höhe. Der Nebel reicht in der Nacht mindestens bis in eine Höhe von 150 m. Inwieweit das Signal den Oberrand des Nebels wirklich repräsentiert, ist fraglich, denn ab einer gewissen Weglänge durch Nebel und Wolken ist das Lasersignal für eine Messung zu schwach. Der rote Strich zeigt den großen Mast bis zur obersten Messhöhe von 250 m um 3 Uhr morgens, dem Zeitpunkt der weiter unten gezeigten Temperatur- und Windprofile.

Der Temperaturverlauf ist bis 175 m Höhe recht unspektakulär. Die Temperaturen sinken während der Nacht langsam aber stetig auf bis unter –6 °C um 10 Uhr. Der Boden ist dabei 1 bis 2 Grad wärmer als die Luft, nach oben hin nimmt die Temperatur weiter ab.

Aber was geschieht in 250 m Höhe? Die Kurve lässt eher an einen defekten Sensor denken, als an eine seriöse Messung. Da jedoch auch Wind und Feuchte in dieser Höhe ein sonderbares Verhalten zeigen, müssen die Werte real sein. Offenbar liegt die 250 m-Plattform über dem Nebel, wo ganz andere Wetterverhältnisse vorliegen. Die Temperatur nimmt jetzt mit der Höhe zu, diese Inversionsschicht liegt wie ein Deckel auf dem Nebel. Die stabile Schichtung verhindert den vertikalen Austausch von Wind und Wärme, die beiden Schichten sind voneinander getrennt. Die Trennschicht kann dabei auf- und abschwingen, wie auf einer Wasseroberfläche können sich Wellen ausbreiten. Besonders hohe Wellenberge führen einige Male dazu, dass die Inversion für kurze Zeit über die 250 m-Plattform schwappt (z. B. von 20.30 bis 21.30 Uhr oder von 5 bis 6 Uhr). Die Temperatur, aber auch Feuchte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung reihen sich vorübergehend wieder in das bodennahe Profil ein. Wer dort oben sitzt, erlebt während der Nacht starke Temperaturschwankungen zwischen –8 und +4°C, oft innerhalb weniger Minuten (es sitzt dort aber niemand…).

Die relative Feuchte liegt im Nebel natürlich in allen Höhen nahe bei 100 %. Hier werden die Grenzen der Messgeräte erreicht, Differenzen zwischen zwei Höhen von wenigen Prozent sollten mit Vorsicht betrachtet werden.

Der Wind weht unter der Inversion leicht und gleichmäßig mit etwa 2 m/s aus südöstlichen Richtungen, darüber mit ähnlicher Geschwindigkeit aus Südwest bis West. Zeitweise ist der Wind in der Höhe um mehr als 90° zum Bodenwind gedreht, um 3 Uhr morgens z. B. um 135° (unten Südost, oben West).

Die folgenden Abbildungen zeigen die Änderung von Temperatur und Windrichtung mit der Höhe um 3 Uhr morgens (roter Strich in der Ceilometer-Grafik). Die Inversion als Trennfläche zwischen beiden Schichten liegt irgendwo zwischen 175 und 250 m (die Temperaturmesswerte in beiden Höhen sind hier mit einer geraden Linie verbunden, die nicht den wirklichen Verlauf der Temperatur zwischen beiden Höhen darstellt). Der Windvektor stellt gleichzeitig die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit dar (Richtung und Länge des Pfeils).

Bevor wir wieder zum Raureif zurückkehren, zeigen wir jetzt noch die absolute Feuchte und die einfallende langwellige Strahlung sowie der Vollständigkeit halber den Luftdruck und die Globalstrahlung.

Die absolute Feuchte gibt den Gehalt von gasförmigem Wasser in der Luft an, die (flüssigen) Nebeltröpfchen gehören nicht dazu. Die Werte liegen zwischen 2 und 3 Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft. Dies ist bei den niedrigen Temperaturen bereits das maximal mögliche (deshalb auch eine relative Feuchte von 100 %). Im Sommer können an schwülen Tagen durchaus Werte von bis zu 15 g/m³ gemessen werden. Für das Wachstum von Reif und Raureif durch Resublimation stehen also lediglich 0,003 Liter Wasser pro Kubikmeter Luft zur Verfügung.

Die langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) von oben zeigt vor allem deutlich den Unterschied zwischen dem Nebel in der Nacht (290 W/m²) und wolkenlosem Himmel am nächsten Tag (230 W/m²). Strahlungsreif kann sich nur ausbilden, wenn mehr Wärmestrahlung abgegeben wird, als aufgenommen wird, damit ein Netto-Wärmeverlust vorliegt. Dies ist bei wolkenlosen Bedingungen und damit niedriger langwelliger Einstrahlung eher möglich.

Diese Wetterlage, insbesondere der Nebel, die Temperaturen bis –6 °C, die Feuchte bei 100 % und der leichte, gleichmäßige Wind führen nach obigen Ausführungen zur Bildung von Raureif, den wir Ihnen nun nicht länger vorenthalten wollen. Die Fotos entstanden wenige Kilometer vom Wettermast entfernt.

Besonders an Zäunen und Sträuchern haben sich nadelförmige Eiskristalle gebildet von 1 bis 2 cm Länge. Die Ausrichtung ist dabei stets gegen die Windrichtung, also nach Südost.

Auf der Wiese ist jeder Grashalm mit Eis besetzt, hier nicht in Form von Nadeln, sondern in etwas kompakteren Kristallstrukturen.