Wolken sind Ansammlungen winziger Wassertröpfchen oder Eiskristalle, die so klein sind, dass sie in der Luftströmung der Atmosphäre schweben. Sie entstehen durch die Kondensation von Wasserdampf an mikroskopisch kleinen (ca. 1/10.000 mm) Staubpartikeln, die praktisch überall in der Atmosphäre vorkommen. Wenn solche Tröpfchen, vor allem aber Eiskristalle, in der Luftströmung kollidieren, können sie zusammenkleben und dadurch schnell anwachsen. Ab einer Größe von etwa zwei Zehntelmillimetern können in der Atmosphäre typischerweise vorkommende Aufwinde die Tröpfchen nicht mehr tragen, und diese fallen als Niederschlag zu Boden. Ein Anwachsen der Wolkentröpfchen bis auf diese Größe erfolgt in unserer Klimazone in der Regel in der Form von Eiskristallen, da diese leichter aneinander haften als Wassertropfen. Da sehr sauberes Wasser ohne störende Oberflächen in flüssigem Zustand auch weit unter den normalen Gefrierpunkt abgekühlt werden kann, gefrieren Wolkentröpfchen jedoch normalerweise erst bei Temperaturen deutlich unter -30°C.
Solche Eiswolken (Cirruswolken) sind vom Boden aus häufig daran zu erkennen, dass sie an den Rändern stark ausfasern und ihre Konturen verschwimmen. Zu nennenswerten Regenmengen führen in der Regel sehr dicke Wolken, die unten aus Wassertröpfchen und im oberen Teil aus Eiskristallen bestehen. Für die Entstehung und die Form von Wolken sind zwei grundlegende Eigenschaften der Atmosphäre von besonderer Bedeutung. Der Luftdruck an einem bestimmten Punkt entsteht einfach durch die Gewichtskraft der Luft über diesem Punkt. Je höher in der Atmosphäre man den Luftdruck bestimmt, desto weniger Luft befindet sich über dem Messpunkt und desto geringer ist daher der Luftdruck. Der Luftdruck nimmt daher mit zunehmender Höhe immer ab.
In den meisten Fällen nimmt bis zu einer Höhe von etwa 10 km auch die Temperatur ab. Dies liegt daran, dass die einfallende Sonnenstrahlung fast nur die Ozonschicht und den Erdboden erwärmt, die Luft dazwischen jedoch ungehindert durchdringen kann. Die Atmosphäre wird daher von unten her aufgeheizt, und die Verteilung dieser Wärme in höhere Luftschichten treibt praktisch alle Phänomene an, die wir als Wetter wahrnehmen.
Ist eine gewisse Menge Luft (in der Meteorologie spricht man von einem Luftpaket) wärmer als ihre Umgebung, so bewegt sie sich nach oben, ähnlich wie in einem Heißluftballon, in einem Schornstein oder über einem Heizkörper. Da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, dehnt sich die Luft beim Aufsteigen aus. Nach den Gesetzen der Thermodynamik kühlen sich Materialien, die sich ausdehnen, dadurch ab.
Kalte Luft kann jedoch weniger Wasserdampf enthalten als warme Luft. Falls die Luft dadurch zu viel Wasserdampf enthält, wird dieser Wasserdampf an der Oberfläche von Staubpartikeln kondensieren und Wolkentröpfchen bilden. Das gleiche Phänomen ist im Winter zu beobachten, wenn aufgeheizte Luft an einer kalten Fensterscheibe abkühlt und sich Wassertropfen auf der Scheibe niederschlagen.
Ist die aufgestiegene Luft nach der Abkühlung und Kondensation wärmer als die umgebende Luftschicht, so wird sie ihren Aufstieg fortsetzen. Aufsteigende Luft führt daher bei hinreichender Feuchtigkeit zu Wolkenbildung, während absinkende Luft in der Regel dazu führt, dass Wasser aus den Wolkentröpfchen verdunstet und sich die Wolken auflösen.
Abgesehen von Hindernissen wie Gebirgen gibt es in der Atmosphäre vor allem zwei Phänomene, die zum Aufsteigen größerer Luftmassen führen.
Quellwolken: Befindet sich sehr warme Luft direkt unter einer deutlich kälteren Luftschicht, so wird diese blasenförmig aufsteigen, wie Dampfblasen in einem Kochtopf. Während die aufsteigende Luft abkühlt, bilden sich, abhängig vom Wasserdampfgehalt, ab einer gewissen Höhe ebenso blasenförmige Wolken. Diese Quellwolken wachsen mit der aufsteigenden Luft in die Höhe, bis eine wärmere Luftschicht die Aufwärtsbewegung stoppt. Wenn Quellwolken an ihrer Oberseite von Wasser- zu Eiswolken übergehen, führt dies in der Regel zu heftigen, aber lokal begrenzten Schauern oder Gewittern. Eine solche Temperaturverteilung kann in der Atmosphäre etwa entstehen, wenn hohe Sonneneinstrahlung nachmittags den Boden stark aufheizt oder wenn schnell vordringende kalte Luft sich über eine vorhandene wärmere Luftschicht wälzt, z. B. an der Kaltfront eines Tiefdruckgebiets.
Schichtwolken: Strömen hingegen größere Warmluftmassen in ein Gebiet, z. B. an der Warmfront eines Tiefdrucksystems, so wird sich die wärmere Luft großflächig über die verdrängte Kaltluft schieben. Es werden daher auf einer großen Fläche relativ gleichmäßig Luftmassen angehoben. Dies führt zunächst in großer Höhe zu einer kaum sichtbaren, sehr dünnen Schicht von Eiswolken. Bei Zufuhr weiterer Warmluft kann sich diese Wolkenschicht verdichten und bei einer Dicke von mehreren tausend Metern zunächst Niesel-, später auch ausdauernden Landregen erzeugen. Örtliche Auf- und Abwinde aus tieferen Schichten, etwa durch Berge oder darunterliegende Quellwolken, können diese Wolkenschicht auch waben- oder wellenförmig an manchen Stellen verdichten, an anderen auflösen.
Holm Hümmler