Hagel entsteht in Gewitterwolken, wenn starke Auf‑ und Abwinde das Wasser in der Wolke in verschiedene Temperaturzonen transportieren. In den oberen Bereichen einer Gewitterwolke herrscht oft eine Temperatur von deutlich unter dem Gefrierpunkt, sodass dort winzige Eiskristalle entstehen. Sobald diese Kristalle von den Aufwinden nach oben geschoben werden, können sie weiter an Eis anlagern, weil sie in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit und starkem Unterkühlungsgrad von Wassertröpfchen umgeben sind.
Der entscheidende Mechanismus ist der sogenannte „Hagel‑Zyklus“: Ein kleiner Eiskern wird von einer starken Aufwärtsströmung in die kalte Wolkenmitte getragen, wo er von unterkühlten Wassertröpfchen umgeben ist, die sofort an ihm gefrieren. Sobald das Teilchen zu schwer wird, wird es von den Aufwinden nach unten gezogen, wo es in wärmere Luftschichten gelangt. Dort kann es kurzzeitig schmelzen oder von einer kühlen Luftschicht umgeben bleiben, bevor ein neuer Aufwind es erneut nach oben befördert, wo ein weiterer Eisschicht gebildet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis das Teilchen zu schwer für die Aufwinde wird.
Die Größe der Hagelkörner hängt von der Stärke und Dauer der Auf‑ und Abwinde ab. In besonders kräftigen Superzellen kann die Aufwärtsströmung mehrere Kilometer hoch reichen und über mehrere Minuten anhalten, sodass ein einzelner Hagelkern viele Schichten von gefrorenem Wasser ansammeln kann. Wenn die Aufwinde schwächer oder kürzer sind, wird das Teilchen schneller nach unten getragen und bleibt kleiner. Auch die Menge an verfügbaren Wassertröpfchen in der Wolke spielt eine Rolle, weil mehr Feuchtigkeit zu schnellerem Wachstum führt.
Der Grund, warum Hagel oft nur sehr lokal auftritt, liegt in der räumlichen Beschränkung dieser starken Aufwinde. Sie bilden sich typischerweise in einer begrenzten Zone innerhalb der Gewitterzelle, während die Umgebung des Sturms von schwächeren Luftbewegungen dominiert wird, die lediglich Regen produzieren. Deshalb kann es innerhalb weniger Kilometer zu einem intensiven Hagelsturm kommen, während nur leichter Regen ein paar Kilometer weiter fällt.
Zusammengefasst entsteht Hagel, wenn ein kleiner Eiskern in einer Gewitterwolke wiederholt zwischen kalten, feuchten Schichten und stärkeren Aufwinden hin‑ und hergeschoben wird. Jeder Auf‑ und Abstieg legt eine neue Eisschicht an, und die Gesamthöhe sowie Dauer dieser Zirkulation bestimmen, wie groß das fertige Hagelkorn wird. Die lokale Natur des Phänomens erklärt, warum Hagel oft nur punktuell beobachtet wird, während das übrige Gewittergebiet nur Regen bringt.
