Meteorologie: Luftfeuchtigkeit
Luftfeuchtigkeit Bearbeiten
Jeder Brillenträger kennt das Phänomen: Wenn man im Winter nach einem Spaziergang an der frischen, kalten Luft nachhause kommt und die warme Wohnung betritt, läuft die Brille an. Doch schon einige Minuten später ist die dünne Wasserschicht auf den Gläsern wieder verschwunden.
Dieses „Verschwinden“ des Wassers bezeichnet man als Verdunstung. Sie ist dem Verdampfen bei siedendem Wasser ähnlich, jedoch geschieht sie bereits bei Raumtemperatur. Beiden Prozessen ist aber gemeinsam, dass dabei aus flüssigem Wasser gasförmiger Wasserdampf wird. Die Verdunstung läuft im Wesentlichen folgendermaßen ab: Wasser besteht aus vielen kleinen Teilchen, genauer Molekülen, die sich stetig hin und her bewegen, sozusagen zittern. Dabei stoßen die Wasserteilchen aneinander, sodass an der Wasseroberfläche einige Teilchen so schnell werden, dass sie sich von den anderen Wasserteilchen „losreißen“ und so gasförmigen Wasserdampf bilden. Je höher die Temperatur des Wassers, oder genauer der Wasseroberfläche (die häufig mit der Lufttemperatur übereinstimmt), desto mehr Wasser kann verdunsten, umso grösser ist die Verdunstungsrate. Denn bei höheren Temperaturen ist die Zitterbewegung der Wassermoleküle schneller, es können sich mehr Wasserteilchen von den restlichen lösen.
Parallel zur Verdunstung findet ein gegenteiliger Prozess statt, die Kondensation. Dabei werden die Teilchen des gasförmigen Wasserdampfs sozusagen von den Teilchen der Wasseroberfläche wieder „eingefangen“. Aus gasförmigem Wasserdampf wird bei der Kondensation also flüssiges Wasser. Die Anzahl der Teilchen die kondensieren (die Kondensationsrate) ist umso höher, je mehr Wasserdampfteilchen in der Luft vorhanden sind, da dann auch mehr Teilchen von der Wasseroberfläche eingefangen werden können. Zudem bewirkt hoher Luftdruck eine hohe Verdunstungsrate, da die Teilchen in Form flüssigen Wassers viel weniger Platz benötigen als in Form von Wasserdampf. Hoher Luftdruck führt nämlich dazu, dass Stoffe eine möglichst kompakte Form annehmen.
Verdunstungsrate und Kondensationsrate pendeln sich mit der Zeit ein, bis sich ein Gleichgewicht bildet. Dies lässt sich an einem Beispiel erklären: Man stelle sich einen Gartenteich vor. In der Luft über ihm ist sehr wenig Wasserdampf vorhanden, die Kondensationsrate ist tief. Es verdunstet mehr Wasser als kondensiert. Mit der Zeit wird deshalb der Wasserdampf in der Luft immer mehr, gleichzeitig steigt dadurch die Kondensationsrate. Dies geschieht so lange, bis die Kondensationsrate gleich groß ist wie die Verdunstungsrate, sich also ein Gleichgewicht gebildet hat.
Die Menge Wasserdampf, die im Gleichgewicht von Verdunstung und Kondensation in der Luft enthalten ist bezeichnet man als Sättigungsmenge oder maximale Luftfeuchtigkeit. Sie ist umso grösser, je höher die Temperatur und je tiefer der Luftdruck ist. Denn in beiden Fällen kann viel mehr Wasserdampf in der Luft vorhanden sein, bis sich das Gleichgewicht einstellt. Häufig jedoch ändern sich Luftdruck oder Temperatur, bevor sich ein Gleichgewicht hat einstellen können und die Sättigungsmenge erreicht ist. Die Sättigungsmenge bei einer bestimmten Temperatur lässt sich in Form einer Kurve, der Sättigungskurve darstellen.
Wie viel Wasserdampf effektiv in der Luft vorhanden ist, gibt man meist als Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft (g/m³) an. Man nennt dies die absolute Luftfeuchtigkeit. In derselben Einheit wird auch die Sättigungsmenge angegeben. Zudem kann mit der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Sättigungsmenge die relative Luftfeuchtigkeit berechnet werden. Sie gibt an, wie viel Prozent die momentane Menge an Wasserdampf in der Luft, also die absolute Luftfeuchtigkeit, von der Sättigungsmenge ist. Sie wird folgendermaßen berechnet:
Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% entspricht die absolute Luftfeuchtigkeit also gerade der Sättigungsmenge.
Wird ein „Luftpaket“ abgekühlt, bleibt die absolute Luftfeuchtigkeit zunächst gleich. Die relative Luftfeuchtigkeit wird jedoch immer höher, da ja die Sättigungsmenge bei tieferen Temperaturen kleiner ist. Irgendeinmal wird eine Temperatur erreicht, bei der eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% erreicht wird, die Luft also gesättigt ist. Diese Temperatur nennt man den Taupunkt. Wird das Luftpaket unter den Taupunkt abgekühlt, beginnt der Wasserdampf zu kondensieren, da die Kondensationsrate in diesem Augenblick grösser als die Verdunstungsrate ist. Es kondensiert so viel Wasser, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt wird, die relative Luftfeuchtigkeit also 100% beträgt.
Das kondensierte Wasser kann je nachdem in Form von Wolken, Regen, Tau oder – wenn der Wasserdampf sublimiert, also direkt gefriert – als Schnee oder Reif in Erscheinung treten.