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Das Wasser in der Luft
Das Geheimnis von Wolken und Regen.
Sättigungsdampfdruck und Clausius-Clapeyron
Hinter der einfachen Idee, dass warme Luft mehr Wasser enthält, verbirgt sich eine präzise Thermodynamik, die die Wolkenbildung und die Intensität der Regen steuert.
Dampfdruck und Sättigung
Der Wasserdampf, mit den anderen Gasen der Luft gemischt, übt seinen eigenen Partialdruck aus, das heißt den Anteil des Gesamtdrucks, der auf ihn entfällt. Der Sättigungsdampfdruck ist der Höchstwert, den dieser Druck bei einer gegebenen Temperatur erreichen kann: er hängt nur von der Temperatur ab. Sobald der Dampfdruck diese Grenze erreicht, ist die Luft gesättigt und der Überschuss kondensiert.
Das Clausius-Clapeyron-Gesetz
Das Clausius-Clapeyron-Gesetz beschreibt, wie der Sättigungsdampfdruck mit der Temperatur zunimmt: in der Größenordnung von 7 % pro Grad. Anders gesagt, wärmere Luft kann viel mehr Dampf aufnehmen. Deshalb erhöht ein sich erwärmendes Klima das Potenzial für intensive Regen.
Kondensationskerne und Übersättigung
In vollkommen reiner Luft kann der Dampf die Sättigung überschreiten, ohne zu kondensieren: man spricht von Übersättigung. In Wirklichkeit kondensiert er an winzigen schwebenden Teilchen, den Kondensationskernen, wie Aerosole, Staub oder Meersalze. Ohne sie keine Tröpfchen.
💡 Etwa 7 % mehr Wasserdampfkapazität pro Grad: der Schlüssel zum Verständnis der Verstärkung starker Regen.
Die Feuchte messen: die richtigen Größen
Feucht bedeutet nichts, ohne zu präzisieren, welche Größe man misst. Meteorologen unterscheiden mehrere mit ergänzenden Verwendungen.
Mischungsverhältnis, spezifische Feuchte, relative Feuchte
Das Mischungsverhältnis ist die Dampfmasse bezogen auf die Masse trockener Luft; die spezifische Feuchte bezieht sie auf die Gesamtluft. Diese beiden Größen ändern sich nicht, wenn sich die Luft erwärmt, ohne Dampf zu gewinnen oder zu verlieren. Die relative Feuchte ist das Verhältnis von Dampfdruck zu Sättigungsdruck, in Prozent: sie hängt also ebenso vom vorhandenen Dampf wie von der Temperatur ab. Deshalb sinkt sie, wenn sich die Luft erwärmt, selbst ohne Wasserverlust.
Der Taupunkt
Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft, bei konstantem Druck abgekühlt, die Sättigung erreichen würde. Im Gegensatz zur relativen Feuchte ist er konservativ: er spiegelt direkt die Dampfmenge wider, unabhängig von der Temperatur. Ein kleiner Abstand zwischen Temperatur und Taupunkt signalisiert Luft nahe der Sättigung, also ein Risiko von Nebel oder tiefen Wolken.
Das feuchte Thermometer
Das Psychrometer vergleicht ein trockenes Thermometer und ein Thermometer, dessen Sensor mit einem feuchten Docht umhüllt ist. Die Verdunstung kühlt letzteres: der Unterschied zwischen beiden erlaubt, die Feuchte zu berechnen. Die Feuchtkugeltemperatur dient auch zur Vorhersage der Schneefallgrenze und zur Beurteilung der Hitzebelastung bei feuchter Hitze.
💡 Der Taupunkt misst besser, wie viel Wasser die Luft enthält, als die relative Feuchte, die allein mit der Temperatur variiert.
Latente Wärme und Phasenübergänge
Die Phasenübergänge des Wassers tauschen enorme Energiemengen aus. Diese verborgene Energie ist einer der Hauptmotoren der Atmosphäre.
Die latenten Wärmen
Die latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang ausgetauschte Energie, ohne dass sich die Temperatur ändert. Wasser von flüssig zu Dampf zu bringen erfordert viel Energie, etwa 2,5 Megajoule pro Kilogramm: das ist die latente Verdampfungswärme. Diese Energie wird bei Verdunstung und Schmelzen aufgenommen, was die Umgebung abkühlt, und bei Kondensation und Gefrieren wieder abgegeben, was sie erwärmt.
Der verborgene Motor der Atmosphäre
Die Verdunstung an der Oberfläche speichert Energie im Dampf; beim Aufsteigen kondensiert dieser Dampf in den Wolken und setzt seine latente Wärme in der Höhe frei. Dieser Energietransport von der Oberfläche in die Höhe speist die Gewitter und die tropischen Wirbelstürme, echte Latentwärmemaschinen: es ist diese in den Aufwinden freigesetzte Energie, die sie so heftig macht.
Sublimation und Deposition
Wasser kann direkt von fest zu gasförmig übergehen, das ist die Sublimation, oder von gasförmig zu fest, das ist die Deposition. Die Deposition bildet den Reif und die Eiskristalle kalter Wolken; die Sublimation lässt den Schnee verschwinden, selbst ohne Tauwetter, wenn sehr trockene Luft ihn direkt verdunstet.
💡 Die Kondensation gibt die Energie zurück, die Gewitter und Zyklone speist: Wasserdampf ist ein echter atmosphärischer Treibstoff.
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