Nehmen wir einen Behälter gefüllt mit trockener Luft an, in den wir über das Ventil z.B. eines Hochdruckdampfkessels Wasser einleiten können. Wenn wir mehr und mehr Dampf hineinlassen, werden wir feststellen, dass sich auf einmal winzige Tröpfchen an den Wänden bilden und der Behälter feucht wird. Geschieht dies, so sprechen wir davon, dass die Luft mit Feuchtigkeit gesättigt ist, sie also nicht mehr Wasserdampf aufzunehmen vermag. Folglich muss das zusätzlich eingebrachte Wasser sich als Feuchtigkeit an der Wand niederschlagen oder in Tropfen kondensieren. Die Wasserdampfkonzentration an diesem Sättigungspunkt nennen wir r sat.

Anschaulich: DAS WASSERDAMPF EXPERIMENT
In der Abbildung ist der Versuch vereinfacht dargestellt. Aus dem Dampfkessel (grün) lassen wir Wasserdampf in eine Kammer mit trockener Luft (schwarz). Wir nehmen nun an, wir könnten die Milliarden von Molekülen (blaue Punkte) zählen und betrachten nur wenige stellvertretend für alle.
a) Die maximale Konzentration bis zur Sättigung seien 50 Moleküle (max = r sat). Nach der Zugabe der ersten 25 beträgt die relative Luftfeuchte RH = 50%. Wir geben aber noch mehr zu. Wenn die 50 überschritten sind (RH > 100%) bilden sich Tröpfchen aus mehreren Molekülen an der Wand.
b) Nun aber heizen wir die Kammer (rot dargestellt). Hierdurch steigt die Fähigkeit der Luft, Wassermoleküle aufzunehmen auf 90 (max = r sat). Die schon an der Wand gebildeten Tröpfchen verdunsten wieder.
c) Statt aber nun noch mehr aufzuheizen, kühlen wir die Kammer stark ab - unter die Anfangstemperatur (hellblau dargestellt). Jetzt kann die kalte Luft nur noch 30 Moleküle aufnehmen. Die Luft ist mit 95 Molekülen völlig übersättigt. Das Wasser kondensiert aus und bildet auf dem Kammerboden einen kleinen See. Es hat sozusagen geregnet.

Wir haben nun festgestellt, dass es möglich ist, eine Wolke zu bilden, indem wir mehr und mehr Wasserdampf in die Luft einbringen. Aber - als aufmerksame Leser werden wir auch gemerkt haben, dass wir ebenso eine Wolke bilden können, indem wir warme Luft solange abkühlen, bis sie ihre Feuchte nicht mehr zu halten vermag, da RH über 100% gestiegen ist. Und dies, obwohl wir gar keinen Wasserdampf mehr zugefügt haben.

Die Erwärmung des Bodens (insbesondere durch Sonnenstrahlen im Verlauf des Morgens) erwärmt die darüberliegende Luft. Hierdurch nimmt ihre Dichte ab und sie steigt hoch. Auch wenn sie sich dabei durch ihre Ausdehnung abkühlt, ist sie immer noch wärmer und leichter als die umgebende Luft, so dass sich Abkühlung und Aufsteigen der Luftmasse fortsetzen.

Animation: Die durch diesen Auftrieb verursachte Wolkenbildung führt im Gebirge oft zu Gewittern, nachdem z.B. an warmen Sommertagen genug Feuchte den Hang hochgestiegen ist.

Im Falle einer Warmfront bleibt die kalte Luft am Boden liegen. Die warme Luftmasse gleitet auf sie auf wie auf eine Rampe und steigt in die Höhe. Eine Kaltfront drückt die warme Luft vor sich her bis sie nach oben ausweicht. In beiden Fällen bilden sich Wolken durch aufsteigende Warmluft.

Tatsächlich stimmt das hier gezeigte mit der Theorie überein. Nach der Bildung eines kleinen Molekülverbundes sollten andere Wassermoleküle aufwachsen und ein Tröpfchen von vielleicht 1 µm Größe formen. Nun kann man aber zeigen, dass ein enormer Druck notwendig wäre, um eine Handvoll Wassermoleküle beeinander zu halten. Um diesen Druck ausüben zu können, der die Moleküle zur Kondensation zwingt, ist eine realtive Feuchte von mehreren 100% nötig. Tatsächlich würden wir also ganz oben anstelle der 60 Moleküle immer noch etwa 150 bis 200 brauchen, damit es zur spontanen Kondensation käme.

Aber: Solche Luftfeuchte-Werte von 500 oder 600% sind nie beobachtet worden, sondern nur wenig über 100% RH. Dennoch beobachten wir Wolken. Ein Fehler in der Theorie? Oder fehlt noch etwas?

Es fehlt in der Tat eine Oberfläche (wie z.B. die Kammerwand im Dampfkesselversuch). Die Antwort ist: In der Atmosphäre sind Aerosolpartikel vorhanden, kleine feste Partikel wie z.B. Staub oder Salze (besonders Sulfat). Diese Partikel bieten bereits die große Oberfläche, die das Wasser selbst nicht ohne hohe Übersättigung formen kann. Manche von ihnen haben eine hohe Neigung, Wasser aufzunehmen und dienen als Kondensationsorte. Sie werden im Falle der Tröpfchenbildung Wolkenkondensationskeime genannt. Entstehen an ihnen Eiskristalle, so heissen sie Eisbildungskeime. Der mikrophysikalische Prozess, den wir beobachten wird heterogene Nukleation genannt. (griech: hetero-gen = aus Verschiedenem erzeugt, nucleus = Kern, Keim)

Ein große Zahl an Gasen, festen und flüssigen Partikeln sind in der Luft. Ein großer Teil der Partikel werden in die kondensierten Tröpfchen der Wolkenkondensationskeime oder Eisbildungskeime eingeschlossen. Aerosolpartikel können auch aus der Luft durch Zusammenstoss mit Tröpfchen oder Kristallen entfernt werden. Zudem sind viele Gase wasserlöslich und dringen in die kondensierte Phase der Wolke ein.

Daher können Wolken über diese drei Mechanismen (Einchluß, Zusammenstoß, Diffusion) eine Menge Substanzen / Verunreinigungen einfangen. Zahlreiche chemische Reaktionen finden statt. Wenn es regnet, werden diese Chemikalien aus der Luft gewaschen. Verdampft die Wolke wieder - und dies tun etwa 90% aller Wolken - so bleiben die Chemikalien eventuell in umgewandelter Form in der Luft. Ohne auf die Vielzahl der Reaktionen einzugehen, können wir uns Wolken daher auch als einen chemischen Reaktor vorstellen, in dem das Wasser als atmosphärisches Lösungsmittel eine große Rolle spielt.