thumb|300px|Cumuluswolken boven een landschap in Australië thumb|Wolken tijdens zonsondergang
Een wolk is een zichtbare verzameling – al dan niet onderkoelde – waterdruppeltjes of ijskristalletjes in de atmosfeer op enige hoogte boven het aardoppervlak.
Waterwolken ontstaan doordat waterdamp in verzadigde lucht condenseert rond condensatiekernen. Waterdamp kan verrijpen tot ijskristalletjes en zo ijswolken vormen. In gemengde wolken komen zowel waterdruppeltjes als ijskristallen voor.
Wolkenvorming In verzadigde lucht is de relatieve luchtvochtigheid 100%. Dit gebeurt door verdamping van oppervlaktewater, menging met verzadigde lucht en afkoeling van onverzadigde lucht of een combinatie daarvan. Aan de grond kan dit leiden tot mistvorming – fysisch is mist hetzelfde als een waterwolk. Voor wolkenvorming is vooral afkoeling van belang. Dit treedt adiabatisch – zonder warmte-uitwisseling met de omgeving – op bij luchtstijgingen. Voorbij het condensatieniveau vindt dan condensatie plaats rond condensatiekernen. Zonder die aerosolen zou condensatie pas bij een grote overschrijding van de verzadigingsdampdruk optreden. Deze oververzadiging kan in volkomen schone lucht oplopen tot 300 à 400% voordat condensatie optreedt.
Atmosferische stabiliteit thumb|In een onstabiele atmosfeer loopt de rode droog-adiabatische temperatuurgradiënt van de luchtbel steiler dan de zwarte toestandskromme van de atmosfeer. De luchtbel blijft stijgen.
thumb|Temperatuur-hoogte-diagram:
Van belang bij wolkenvorming is de atmosferische stabiliteit. De mate van onstabiliteit en de verticale verdeling daarvan bepaalt met de hoeveelheid vocht in de lucht welke types wolken zich vormen. Een onstabiele atmosfeer kan ontstaan door: verwarming onderin; afkoeling bovenin; optilling.
Verwarming onderin Verwarming onderin kan plaatsvinden door aardse straling waarmee het door zonnestraling opgewarmde aardoppervlak zijn warmte afgeeft aan de atmosfeer. De dagelijkse gang hiervan bereikt boven land zijn maximum in de namiddag, boven zee is de dagelijkse gang gering. Ook door advectie – de horizontale luchtverplaatsingen waarmee warmtetransport plaatsvindt – kan de atmosfeer onderin verwarmen. Buien met soms onweer kunnen hier het gevolg van zijn.
Afkoeling bovenin Bij afkoeling bovenin kan advectie optreden, waarbij juist koude lucht wordt aangevoerd. Dit kan ook gepaard gaan met zware buien. Vooral gedurende de nacht kan afkoeling ook plaatsvinden door uitstraling van bewolking of een nog niet gecondenseerde vochtige laag. Boven zee is dit verantwoordelijk voor de relatief hoge buiigheid aan het einde van de nacht.
Optilling thumb|Orografische optilling, frontale optilling en convectie. thumb|Altocumulus-undulatus. thumb|Altocumulus lenticularis bij de Mikeno. Stijging of optilling van lucht kan verschillende oorzaken hebben. De gehele luchtmassa kan opstijgen, zoals het geval bij: convergentie, het samenstromen van lucht zoals bij lagedrukgebieden en isallobarische minima; bij een front wordt warme massa of lucht opgetild door koude massa; bij orografische wolkenvorming wordt een luchtmassa opgetild door een bergketen. De wolkensoorten die ontstaan, zijn afhankelijk van de stabiliteit van de lucht, maar zijn bij berghellingen en fronten vaak stratiform.
Daarnaast kan er sprake zijn van stijgende lucht door golfbewegingen: lopende golven kunnen ontstaan als twee luchtmassa's over elkaar heen bewegen. In de golf daalt en stijgt de lucht waardoor wolken zich vormen en weer oplossen. Dit zijn undulatuswolken als altocumulus-undulatus en stratocumulus-undulatus; staande golven van het type altocumulus lenticularis kunnen ontstaan aan de lijzijde van bergruggen.
Een derde vorm is plaatselijk opstijging door convectie, het opstijgen van lucht door verwarming van onderin. Dit treedt op in instabiele koude massa. Dat is lucht waarvan de temperatuur lager ligt dan die van het oppervlak. De lucht wordt dus onderin verwarmd. Hier stijgt niet de gehele luchtmassa, maar slechts luchtbellen met een grootte van enkele tientallen tot honderden meters. Hieruit ontstaan wolken van het type cumulus en cumulonimbus.
Verder worden wolken gevormd door vliegtuigen, condenssporen of vliegtuigstrepen.
Adiabatische afkoeling De afkoeling met toenemende hoogte vindt plaats volgens een adiabatisch proces; er vindt geen warmte-uitwisseling plaats met de omgeving. Een stijgende luchtbel koelt dus niet af omdat de omgevende lucht kouder wordt, maar omdat op grotere hoogte de luchtdruk afneemt, waardoor deze uitzet. Deze adiabatische expansie kost arbeid die door de luchtbel geleverd moet worden, wat de temperatuur laat dalen. Deze daalt bij droge lucht met 0,98 °C per 100 meter, de droog-adiabatische temperatuurgradiënt .
Als de relatieve luchtvochtigheid 100% is, is er sprake van een verzadigd-adiabatisch proces. Aangezien lucht bij lagere temperatuur minder waterdamp kan bevatten, treedt er condensatie op. Hierbij komt warmte vrij, waardoor de temperatuur met minder dan 0,98 °C per 100 meter afneemt, de verzadigd-adiabaat , gemiddeld 0,6 °C per 100 meter.
In de troposfeer – de onderste laag van de atmosfeer waar zich de meeste weersverschijnselen afspelen – neemt de temperatuur gemiddeld 6,5 °C per km af, maar de werkelijke toestandskromme is afhankelijk van de hoeveelheid vocht in de atmosfeer. Bij een stabiele atmosfeer wordt een luchtbel die stijgt zwaarder dan de omringende lucht en daalt die. Bij een onstabiele atmosfeer stijgt de luchtbel tot die een stabiele laag bereikt. In een onstabiele atmosfeer neemt de temperatuur van de omringende lucht met meer dan 0,98 °C per 100 meter af, terwijl een stijgende droge luchtbel droog-adiabatisch afkoelt met 0,98 °C per 100 meter. De dichtheid van de luchtbel verkleint en wordt lichter dan de omgeving, waardoor deze verder stijgt.
Zo kan stratocumulus ontstaan uit cumulus als de atmosfeer aan het einde van de dag stabieler wordt, zodat de wolkentoppen van de cumulus inzakken en de wolkenbasis breder wordt.
Wolkenbasis Van cumulusbewolking kan de hoogte h van de wolkenbasis berekend worden aan de hand van de luchttemperatuur t aan de grond en de bijbehorende dauwpuntstemperatuur td. In een stijgende luchtbel komen de temperatuur en het dauwpunt elke 100 meter 1 °C dichter bij elkaar, zodat geldt: h = (t – td) × 125
Dichtheid De hoeveelheid water verschilt per wolkentype. De vloeibaar-waterinhoud van stratuswolken en mist is zo'n 0,1-0,5 g/m3, terwijl cumulusbewolking rond de 0,5 g/m3 bevat met uitschieters daarboven. Cumulonimbus bevat meestal meer dan 0,5 g/m3.
Neerslagvorming
De massa van de wolkenelementen is dusdanig gering dat ze in de wolk zweven. Deze wolkenelementen kunnen uitgroeien tot neerslagelementen als regendruppels, hagelkorrels en sneeuwvlokken. Hiervoor zijn twee processen verantwoordelijk, het coalescentieproces en het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces.
Coalescentie Coalescentie speelt zich af in relatief warme wolken waarbij de temperatuur van de wolkentop boven de -10 à -12 °C ligt. Wolkenelementen van verschillende grootte en gewicht en daarmee verschillende valsnelheden, kunnen bij botsing met elkaar samenvloeien. Als de wolk voldoende groot is, kunnen zich regendruppels vormen die door de wolkenbasis vallen.
Wegener-Bergeron-Findeisen-proces thumb| In relatief koude wolken komen onderkoelde waterdruppeltjes en ijskristallen samen voor. Hier speelt zich het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces af. Doordat de lucht rond ijs minder waterdamp kan bevatten dan rond de onderkoelde waterdruppeltjes, zal bij verzadigde lucht de damp verrijpen op de ijskristallen. Hierdoor vermindert de hoeveelheid waterdamp en is er sprake van onverzadigde damp. De waterdruppeltjes zullen daarop verdampen, waarna het proces zich herhaalt. De aangroeiende ijskristallen kunnen daarna in verschillende vormen als neerslag – regen, sneeuw, hagel of ijsregen – naar beneden komen. Als de neerslag in de wolk als sneeuw begint, dan kan dit op weg naar beneden weer smelten om als regen neer te komen. Komt de regen op zijn tocht naar beneden aansluitend nog eens in een koudere luchtsoort terecht, dan kan de regen weer bevriezen of onderkoeld raken en aansluitend als hagel, korrelsneeuw of ijsregen naar beneden komen.
Zo kunnen gigantische, tot 10 km hoge wolken in 20 minuten leegregenen (wolkbreuk).
Stratiforme bewolking Neerslag kan uit gelaagde of stratiforme en uit convectieve bewolking voortkomen. Op gematigde breedten valt het merendeel van de neerslag uit stratiforme bewolking. De verticale luchtstromingen zijn hier beperkt. Als de temperaturen in de bewolking boven het vriespunt blijft, groeien de waterdruppels alleen aan via het coalescentieproces en blijft de neerslag beperkt tot motregen of heel lichte regen, die echter bij dichte bewolking wel uren aan kan houden. Voor intensievere neerslag moet de temperatuur onder de -12 °C komen zodat het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces in werking kan treden, wat veelal betekent dat de wolk grotere verticale afmetingen moet hebben.
Convectieve bewolking Convectieve bewolking – cumulus en cumulonimbus – kan een grote verticale ontwikkeling doormaken, soms tot aan de tropopauze. De luchtstromingen zijn veelal meer dan 1 m/s en kunnen in zware buien oplopen tot meer dan 25 m/s. De wolkenelementen kunnen daardoor snel aangroeien, zodat er al zo'n 20 tot 30 minuten na het ontstaan van de wolk intensieve neerslag kan vallen. Door de krachtige verticale luchtbewegingen kunnen ijskristallen meerdere malen omhoog worden gevoerd en aangroeien tot grote hagelstenen. Aangezien de convectie sterker wordt in de zomer, zal er dan meer hagel vallen.
In de tropen kunnen zich in de intertropische convergentiezone (ITCZ) in hot towers zelfs dusdanig sterke stijgwinden ontwikkelen dat deze doorschieten in de stratosfeer.
Classificatie Familie Poolgebieden Gematigdebreedten Tropen Geslacht Albedo 500px|Wolkenfamilies en wolkensoorten Hoge wolken (CH)(Cirro) 3 tot 8 km 5 tot 13 km 6 tot 18 km cirrus (Ci) cirrocumulus (Cc) cirrostratus (Cs) 0,21 Verticaalontwikkeldewolken(Cumulo) cumulonimbus (Cb) cumulus (Cu)Albedo 0,70 Middelhogewolken (CM)(Alto) 2 tot 4 km 2 tot 7 km 2 tot 8 km altocumulus (Ac) altostratus (As)(ook wel tot inde bovenste etage) nimbostratus (Ns)(ook wel in de ondersteen bovenste etage) 0,48 Lage wolken (CL)(Strato) 0 tot 2 km 0 tot 2 km 0 tot 2 km stratocumulus (Sc) stratus (St) 0,69
De Britse apotheker Luke Howard maakte in 1802 een wereldwijd geaccepteerde classificatie van wolken. Hij gebruikte hiervoor een systeem dat erg leek op het classificatiesysteem van planten- en dierensoorten dat Linnaeus al eerder ontwierp. Hij ontleende de namen voor de verschillende wolken aan het Latijn. Sinds de eerste ontwikkeling ervan hebben er verschillende wijzigingen plaatsgevonden in het systeem van Howard.
Allereerst wordt onderscheid gemaakt tussen gelaagde of stratiforme bewolking en stapelwolken of cumuliforme bewolking, ook wel convectieve bewolking genoemd.
Voorts worden wolken op basis van hoogte ingedeeld in families, waarbij drie overlappende etages zijn te onderscheiden: hoge wolken, vrijwel helemaal bestaand uit ijskistallen; middelhoge wolken, veelal onderkoelde waterdruppels; lage wolken, vooral waterdruppels; verticaal ontwikkelde wolken, die hun basis hebben in de onderste etage, maar uit kunnen groeien tot in de bovenste etage. Afhankelijk van de hoogte alleen bestaande uit waterdruppels of gemengde wolken.
Hoge bewolking thumb|Cirrusbewolking.