Wolken (clouds) sind Ansammlungen von kondensiertem Wasser (Tröpfchen) und/oder Eispartikeln in der Atmosphäre, die auf dem Phasenübergang von Wasserdampf zu Flüssigkeit oder festem Zustand beruhen. Für naturwissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Anwendungen sind sie ein zentrales Beispiel für gekoppelte Strömungs-, Transport- und Phasenwechselprozesse in dispergierten Systemen.

Die Keimbildung erfolgt meist heterogen an Aerosolpartikeln (Cloud Condensation Nuclei, CCN bzw. Ice Nuclei, IN). Thermodynamisch wird die Wolkenbildung durch Temperatur, Druck, Sättigungsdampfdruck und die lokale Übersättigung bestimmt. Kinetisch spielen Turbulenz, Aufwinde und Mischungsprozesse eine entscheidende Rolle, da sie die Verweilzeit in übersättigten Zonen und damit Tröpfchengröße und -verteilung kontrollieren.

Aus materialswissenschaftlicher Sicht sind Wolken natürliche kolloidale Systeme mit komplexer Mikrostruktur. Partikelgrößenverteilungen, Koaleszenz, Ostwald-Reifung und Gefrierprozesse bestimmen die Stabilität und die weitere Entwicklung (z.B. Niederschlagsbildung). Die optischen Eigenschaften resultieren aus Mie- und Rayleigh-Streuung an Tröpfchen und Eispartikeln und sind sensitiv gegenüber Partikelgröße, Morphologie und Phasenanteilen.

Für die Modellierung werden Mehrphasen-Strömungsmodelle, Populationsbilanzen und detaillierte Keimbildungs- und Wachstumsmodelle eingesetzt. Wolken dienen so als großskaliges Referenzsystem für grundlegende Fragestellungen der Phasenthermodynamik, der Grenzflächenphysik und der Partikeltechnologie.