Meteorologie

2Wasser

Dem Wasser kommt in der Meteorologie eine ganz besondere Bedeutung zu, die im Wesentlichen darauf zurückzuführen ist, dass Wasser unter irdischen Bedingungen die drei Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig annehmen kann. Erst durch Kondensations-, Verdunstungs-, Schmelz- und Gefriervorgänge wird das möglich, was wir landläufig als Wetter bezeichnen. Ohne Wasser wäre auf der Erde kein Leben möglich, würden ganz andere Erosionsvorgänge ablaufen und würde sich ein Klima einstellen, das mit dem unsrigen kaum etwas gemeinsam hat.

Die Erdatmosphäre enthält 13 000 km3 Wasser in Form von Wasserdampf (s. Seite 23), Wolken, Regen, Schnee und Hagel. Mit dieser Menge könnte man den Bodensee (Inhalt etwa 50 km3) über 250-mal füllen.

Das auf der Erde vorhandene Wasser wird, wie Tab. 1 zeigt, auf knapp 1,4 Mrd. km3 geschätzt. Davon enthält die Atmosphäre rund 13 000 km3, das sind nicht einmal ganz 0,001 %. Noch einmal eine Größenordnung darunter liegt mit 1000 km3 der Wassergehalt der Lebewesen. Fast 15-mal so viel Wasser wie in der Atmosphäre finden wir in den Flüssen und Binnenseen. Im Boden sammeln sich mit nicht ganz 23,5 Mio. km3 rund 1,7 % des irdischen Wassers, der allergrößte Teil in Form von Grundwasser, nur ein winziger Bruchteil – vergleichbar mit dem in der Atmosphäre – wird als Bodenfeuchte an und zwischen den Bodenteilchen festgehalten. Etwa die gleiche Menge wie im Boden ist in den polaren und grönländischen Eismassen gebunden. Mit knapp 25 Mio. km3 enthalten sie fast 2 % der Gesamtwassermenge. Somit schlägt das Süßwasser mit etwa 3,5 % zu Buche. Der Rest von 96,5 % entfällt auf die Weltmeere, Binnenmeere und Salzseen. Der Anteil des Salzwassers ist also fast 30-mal so groß wie der des Süßwassers.

Bestenfalls 4 %vol macht der Wasserdampf an der Gesamtmenge der Atmosphärengase aus. Würde sich aller Wasserdampf der Atmosphäre zu Wolken verdichten und ausregnen, so ergäbe sich eine Wasserschicht von nur 25 mm Höhe. Da im Mittel über die ganze Erde betrachtet die Jahresniederschläge einen See mit knapp 61 1000 mm Tiefe bilden würden, muss rein rechnerisch der gesamte Wasservorrat der Atmosphäre alle 9 bis 10 Tage einmal völlig umgewälzt werden. Welch atemberaubendes Tempo muss demnach das Wettergeschehen haben?

2.1Definitionen und wichtige physikalische Gesetze über das Wasser in der Atmosphäre

Während die Begriffe Eis und Wasser im Sinne von flüssigem Wasser jedem geläufig sind, herrschen bei der gasförmigen Phase, dem Wasserdampf, manchmal falsche Vorstellungen. Wasserdampf im meteorologischen Sinne ist nicht das, was als sichtbare Wolke aus einem Dampfkessel oder einem Kühlturm herauskommt. Wasserdampf ist vielmehr ein farbloses, durchsichtiges Gas, das mit dem Auge überhaupt nicht wahrgenommen werden kann.

Wasserdampf ist ein unsichtbares Gas. Der Begriff „Dampfwolke“ ist im meteorologischen Sinne nicht richtig.

2.1.1Feuchtemaße

Man kann den Wasserdampfgehalt der Luft bequem angeben, indem man sagt, wie viel g Wasser jeder m3 enthält. Diese Größe heißt absolute Feuchtigkeit a, gelegentlich wird sie kurz auch absolute Feuchte genannt. Ihre Einheit ist g Wasserdampf/m3 Luft. Diese Angabe hat aber einen Nachteil. Denkt man sich ein Luftpaket auf ein anderes Niveau verschoben, so ändert sich sein Volumen 62 und damit trotz gleichbleibender Wasserdampfmenge die absolute Feuchte.

Man verwendet daher lieber eine andere Größe, bei der dieses Problem nicht auftritt: die spezifische Feuchtigkeit oder spezifische Feuchte s. Sie gibt an, wie viel g Wasserdampf in 1 kg feuchter Luft enthalten sind.

Diese Angabe ist bei Vertikalbewegungen konstant, solange keine Kondensation oder Verdunstung von Wolken oder Niederschlagsteilchen stattfindet. 1 kg Luft bleibt 1 kg, gleichgültig, unter welchem Druck sich das Luftpaket befindet.

Eng verwandt mit der spezifischen Feuchte ist das Mischungsverhältnis m. Es gibt die Menge des vorhandenen Wasserdampfs in g/kg trockener Luft an. Es unterscheidet sich zahlenmäßig kaum von der spezifischen Feuchte und darf im Allgemeinen durch diese ersetzt werden bzw. umgekehrt.

Relative Feuchte

Aus physikalischen Gründen kann Luft immer nur eine gewisse Höchstmenge an Wasserdampf enthalten. Diese Höchstmenge soll als Sättigungsfeuchte S bezeichnet und in g Wasserdampf/kg feuchter Luft angegeben werden. Die Sättigungsfeuchte hängt sehr stark von der Lufttemperatur ab. Bei tiefen Temperaturen ist sie klein, bei hohen Temperaturen groß. Warme Luft kann demnach viel, kalte nur wenig Wasserdampf aufnehmen. Dieses Naturgesetz führt später noch zu einer ganzen Reihe von sehr wichtigen und interessanten Konsequenzen. 63

Abb. 16 Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit von der Lufttemperatur (weitere Erklärungen im Text).

In Abb. 16 ist der Zusammenhang zwischen der Sättigungsfeuchte und der Temperatur dargestellt. Wie man sieht, kann 1 kg Luft bei –10 °C 1,8 g, bei 0 °C 3,8 g und bei 10 °C 7,6 g Wasserdampf aufnehmen. Mit steigender Temperatur nimmt das Wasserhaltevermögen rasch zu, sodass 1 kg bei 20 °C schon 14,4 g und bei 30 °C sogar 27,2 g Wasserdampf enthalten kann.

Für rohe Abschätzungen lässt sich daraus eine bequeme Faustformel ableiten, die zwar die Kurvenkrümmung unberücksichtigt lässt, in vielen Fällen jedoch ausreicht. Sie lautet: Im Temperaturbereich von 5 °C bis 30 °C entspricht die Sättigungsfeuchte in g/kg zahlenmäßig etwa der Temperatur in °C minus 10 %.

Betrachtet man nur solche Fälle, bei denen keine Volumenänderungen, (z. B. infolge von Vertikalverschiebungen) eintreten, dann darf man für die folgenden Betrachtungen auch den Sättigungswert der absoluten Feuchte benutzen, der sich auf einen m3 bezieht und die Einheit g Wasserdampf/m3 Luft besitzt (s. Seite 62). Für ihn gilt sogar eine noch einfachere Faustformel: Im Temperaturbereich von 5 °C bis 30 °C entspricht der Sättigungswert der absoluten Feuchte in g/m3 zahlenmäßig etwa der Temperatur in °C!

Setzt man nun die spezische Feuchte in ein prozentuales Verhältnis zur Sättigungsfeuchte bei der augenblicklich herrschenden Temperatur, so erhält man eine neue Angabe über den Wasserdampfgehalt der Luft, die relative Feuchte RF:

Die relative Feuchte gibt also an, zu wie viel Prozent die Luft wasserdampfgesättigt ist. Zwei Beispiele mögen den Zusammenhang verdeutlichen.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt soll die Luft 7,2 g Wasserdampf/kg enthalten. Die Temperatur sei 20 °C. Dieser Zustand entspricht dem Diagrammpunkt 1 in Abb. 16. Bei 20 °C beträgt die Sättigungsfeuchte 14,4 g/kg. Für die relative Feuchte gilt dann

Im Diagrammpunkt 2 beträgt der Wasserdampfgehalt 10,0 g/kg bei einer Temperatur von 27 °C. Die Sättigungsfeuchte hat bei 27 °C den Wert 22,4 g/m3. Hieraus errechnet sich eine relative Feuchte von

Die relative Feuchte hat eine bemerkenswerte Eigenschaft, die diese ohnehin nicht ganz leicht zu durchschauende Größe noch weiter verkompliziert. Sie ist nämlich temperaturabhängig. Betrachten wir dazu noch einmal den Diagrammpunkt 1 in Abb. 16. Für ihn haben wir eine relative Feuchte von 50 % errechnet. Jetzt denken wir uns die Temperatur auf 30 °C ansteigend. Im Diagramm Abb. 16 können wir diesen Vorgang dadurch 64 nachvollziehen, dass wir vom Diagrammpunkt 1 auf der gestrichelten Linie zum Diagrammpunkt 3 gehen. Nach wie vor enthält die Luft 7,2 g Wasser/kg, die relative Feuchte errechnet sich jetzt aber zu

Sie ist also fast auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes gefallen. Umgekehrt steigt die relative Feuchte bei sinkender Temperatur, wie der Diagrammpunkt 4 zeigt. Dort beträgt bei gleichem Wasserdampfgehalt von 7,2 g/kg die relative Feuchte

Sie ist also gegenüber der Situation 1 fast auf das Doppelte gestiegen. Wir können aus diesem Gedankenexperiment einen wichtigen meteorologischen Grundsatz ableiten: Bei steigender Temperatur fällt die relative Feuchte, bei sinkender Temperatur wächst sie.

Dieser Zusammenhang kommt bei einer Vielzahl von tagtäglich zu beobachtenden Erscheinungen zum Tragen. Man denke etwa an die im Winter immer wieder beklagte trockene Zimmerluft, die sich durch die Temperaturabhängigkeit der relativen Feuchte schnell erklären lässt. Angenommen, die Luft habe im Freien bei einer Temperatur von –10 °C eine relative Feuchte von 100 %, enthält also 1,8 g Wasser/kg. Diese Luft denke man sich jetzt durch ein geöffnetes Fenster in einen geheizten Raum strömen, wo sie auf 20 °C erwärmt werden soll. Wird ihr dabei kein weiterer Wasserdampf zugeführt, so sinkt ihre relative Feuchte auf knapp 13 % ab ((1,8/14,4) * 100 % = 12,5 %).

Die gleiche Ursache hat auch der große Durst der Skifahrer. Wie man leicht berechnen kann, sinkt die relative Feuchte der kalten Winterluft auf wenige Prozent ab, wenn sie in den Lungen auf Körpertemperatur erwärmt wurde. Das hat eine erhebliche Wasserabgabe der Lungenbläschen zur Folge, wodurch der Wasserhaushalt des Körpers stark belastet werden kann. Auch Bergsteiger im Hochgebirge haben darunter schwer zu leiden. Mit denselben Überlegungen lässt sich auch erklären, warum die relative Feuchte tagsüber geringer ist als in der Nacht.

Eine wichtige Rolle spielt die relative Feuchte bei natürlichen und künstlichen Trocknungsvorgängen. Zwischen dem Wassergehalt im Trockengut und der relativen Feuchte der Luft stellt sich allgemein ein Gleichgewichtszustand ein. Das bedeutet, dass der Wassergehalt nicht unter einen von der relativen Feuchte abhängigen Wert gesenkt werden kann. So lässt sich z. B. Heu (bei einer Temperatur von 30 °C) nicht unter 20 Gewichtsprozent heruntertrocknen, solange die relative Feuchte der Luft über 56 % liegt. 15 Gewichtsprozent können nur dann unterschritten werden, wenn die relative Feuchte kleiner als 44 % ist. Ähnliches gilt, wie Abb. 17 zeigt, auch für andere landwirtschaftliche Produkte, Saatgut, Holz und viele weitere organische Materialien.

Schließlich erklärt sich aus dem Verhalten der relativen Feuchte, warum ein ungeheizter Keller im Sommer feucht und im 65 Winter trocken ist: Im Sommer ist die Temperatur im Keller tiefer als im Freien, sodass die relative Feuchte der von außen eindringenden Luft ansteigt. Im Winter ist es umgekehrt.

Abb. 17 Abhängigkeit des Wassergehalts verschiedener Materialien von der relativen Feuchte der Umgebungsluft nach Beinhauer (1990).

Warum, so wird man sich angesichts dieses komplizierten Verhaltens der relativen Feuchte fragen, hat man denn dieses eigenwillige Feuchtemaß überhaupt eingeführt? Der Grund dafür ist, dass man sie sehr leicht und sicher messen kann, im Gegensatz zu allen anderen bisher besprochenen Größen. Menschliche Haare haben nämlich die bemerkenswerte Eigenschaft, ihre Länge gerade der relativen Feuchte der Umgebungsluft entsprechend zu verändern. Bei geringer realtiver Feuchte ziehen sie sich zusammen, bei hoher Feuchte dehnen sie sich aus. Auch das ist letzten Endes eine Folge des oben erläuterten Gleichgewichts zwischen der relativen Feuchte und dem Wassergehalt organischer Substanzen. Bei hoher relativer Feuchte nimmt das Haar Wasser aus der Luft auf und quillt dabei. Bei geringer relativer Feuchte ist es umgekehrt. Die näheren Zusammenhänge werden in Kapitel „Messtechnik“ auf Seite 390 behandelt. 66

Darüber hinaus lässt sich die relative Feuchte bequem in alle anderen Feuchtegrößen umrechnen, wie auf Seite 83 gezeigt wird. Das Diagramm Abb. 16 zeigt uns auch, wie sich die relative Feuchte ändert, wenn man in Luft mit einem gegebenen Wasserdampfgehalt noch zusätzlich Wasser einbringt. Im Diagrammpunkt 8 herrsche bei 15 °C und einer spezifischen Feuchte von 4 g/kg eine relative Feuchte von 37 %. Erhöht man die spezifische Feuchte, so steigt natürlich auch die relative Feuchte. Man kann aber nicht mehr als 6,8 g Wasserdampf/kg zusätzlich unterbringen, weil dann, wie Diagrammpunkt 9 zeigt, die Sättigungsfeuchte erreicht ist.

Taupunkt

Das Diagramm Abb. 16 führt uns noch zu einem weiteren, häufig benützten Feuchte-Maß. Dazu gehen wir wieder von Punkt 1 aus und denken uns bei konstant bleibendem Wasserdampfgehalt eine sinkende Temperatur. Bei 10 °C passieren wir den Punkt 4 und erreichen bei 9,2 °C den Punkt 5, an dem der tatsächliche Wasserdampfgehalt gerade gleich der Sättigungsfeuchte, die relative Feuchte also gleich 100 % wird.

Was passiert, wenn wir die Temperatur weiter senken? Dann wird das Wasserhaltevermögen der Luft überschritten, d. h. nichts anderes, als dass Wasserdampf ausgeschieden werden muss. Ab dem Punkt 5 wird also Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensieren. Im täglichen Leben würde man sagen, es bildet sich Tau. Dementsprechend nennt man die zum Punkt 5 gehörende Temperatur – in unserem Fall 9,2 °C – die Taupunktstemperatur τ oder kurz den Taupunkt (siehe auch Marginale Seite 66).

Die Differenz zwischen der Lufttemperatur und der Taupunktstemperatur wird als "Taupunktsdifferenz" Δ τbezeichnet. Für sie gilt: Δ τ = ϑ – τ; sie stellt ein sehr anschauliches Maß zur Charakterisierung der Feuchteverhältnisse dar: je größer sie ist, desto trockener ist die Luft und um gekehrt. Ist sie gleich Null, ist die Luft Feuchte gesättigt. Mit ihr kann man die Untergrenze von Quellwolken abschätzen (s. Seite 92).

Der Taupunkt ist diejenige Temperatur, bei der die spezifische Feuchte gleich der Sättigungsfeuchte oder, was das Gleiche bedeutet, die relative Feuchte gleich 100 % ist.

Mit dem Taupunkt haben wir die Möglichkeit, den Wasserdampfgehalt der Luft mithilfe einer Temperaturangabe zu charakterisieren.

Wie viel Wasserdampf wird aber nun ausgeschieden, wenn wir die Temperatur unter die Taupunktstemperatur senken? Auch darauf gibt uns das Diagramm Abb. 16 eine Antwort. Denkt man sich die Temperatur wie dort eingezeichnet auf 0 °C gesunken, so kann die Luft nur noch 3,8 g Wasserdampf/kg enthalten, wie aus Punkt 7 unschwer zu entnehmen ist. Da sich ursprünglich in jedem Kilogramm 7,2 g befunden haben, müssen 3,4 g/kg ausgeschieden worden sein.

Der Tau fällt nicht, wie das immer wieder gerne poetisch gesagt wird, sondern entsteht unmittelbar an den betauten Oberflächen.

Vorgänge, bei denen der Taupunkt unter- bzw. überschritten wird, sind in der Natur und im täglichen Leben außerordentlich häufig. Man denke nur etwa an die Wolkenbildung. Werden Luftpakete hochgehoben und adiabatisch abgekühlt, so wird in einer bestimmten Höhe der Taupunkt unterschritten, und die auskondensierenden Wassertröpfchen erscheinen als Wolken. 67 Andererseits wird beim adiabatischen Absinken der Taupunkt in den Wolken überschritten, und die Tröpfchen verdunsten zu Wasserdampf, was zu einer allgemeinen Wolkenauflösung führt.

In ähnlicher Weise bildet sich nachts, wenn die Temperatur unter die Taupunktstemperatur sinkt, Tau oder bei Temperaturen unter 0 °C Reif. Unter bestimmten, nur schwer vorhersagbaren Bedingungen bleiben die kondensierten Wassertröpfchen in der Luft schweben: Es ist Nebel entstanden. Der Taupunkt wurde ebenfalls unterschritten, wenn ein Glas mit kühlem Bier beschlägt, wenn die Wasserleitung oder die kühle Fensterscheibe anläuft. Aus dem gleichen Grund beschlägt auch eine Brille – aber nur, wenn man bei kaltem Wetter in ein geheiztes Haus tritt, nicht jedoch wenn man aus dem Haus ins Freie geht. Die Raumluft enthält viel Wasserdampf, der an den kalten Gläsern kondensiert.

Ein ähnlicher Vorgang läuft ab, nur eben bei Temperaturen unter 0 °C, wenn sich am Fenster Eisblumen bilden oder der Vergaser im Auto und der Verdampfer im Kühlschrank vereisen. Auch die bekannte Tatsache, dass unverpacktes Kühlgut rasch austrocknet, geht darauf zurück. Dadurch, dass Wasserdampf an den Kühlschlangen kondensiert, kommt es in der Kühlschrankluft zu einem Defizit, und die eingelagerten Waren geben ihr Wasser an die Luft ab. Bei der Gefriertrocknung wird dieser Vorgang systematisch zum Wasserentzug angewendet. Dort erwärmt man das Trocknungsgut sogar noch, um eine schnellere Wasserabgabe zu erreichen.

Der Taupunkt spielt beim Raumklima eine wichtige Rolle als Bauphysikalische Größe. Wird an Wänden, Decken oder Böden der sich aus der Raumluftfeuchte ergebende Taupunkt unterschritten, so kommt es zur Kondensation von Wasserdampf mit nachfolgender Schimmelbildung.

Ursachen dafür können sein:

 zu geringe Wärmeisolierung der Mauern etc., die die Temperatur an deren Innenseite entsprechend tief absinken lässt;

 schlechte Lüftung insbesondere bei Räumen mit erhöhtem Feuchtigkeitsanfall, wie z. B. Küchen oder Bäder;

 zu langes Lüften im Winter, insbesondere nachts. Dadurch sinkt die Lufttemperatur und mit ihr die Temperatur der Mauerinnenseiten;

 Vorgang c) spielt sich oft in schwach geheizten Räumen ab z. B. Schlafzimmern. Zusätzlich wird dort der Taupunkt durch den Wasserdampf angehoben, der über die ausgeatmete Luft freigesetzt wird.

Eine wichtige Rolle können Kondensationsvorgänge im Überseeverkehr spielen. Wird ein Schiff beispielsweise in tropischen Breiten bei hohem Wasserdampfgehalt und hoher Temperatur mit Naturprodukten beladen, die in kühlere Regionen verschifft werden sollen, so kann es während des Transportes bei unzureichender Lüftung zur Kondensation kommen. Dadurch wird das Transportgut feucht und schimmlig. Diese Gefahr besteht insbesondere bei fest verschlossenen Containern. Auch bei Fahrten in umgekehrter Richtung, also von kühlen Regionen in feuchtheiße Tropen kann es zu empfindlichen Schäden kommen. Der Grund dafür liegt in der thermischen Trägheit der Schiffsladung. Bei schneller Fahrt kann das Schiff bereits das heiße Tropenklima mit hoher Luftfeuchtigkeit erreicht haben, während sich die Ladung noch kaum über die Temperatur der kühlen Ausgangsregion erwärmt hat. Bleibt die Temperatur der Ladung unter der Taupunktstemperatur der tropischen Umgebungsluft, so ist klar, was passiert: Der Wasserdampf kondensiert aus und schlägt sich am kühlen Ladegut nieder. Das kann an feuchteempfindlichen Waren zu schweren Schäden führen. So kommt es bei Metallen zu Korrosion; Zucker und Mehl verkleben und Zement bindet ab. An Konservendosen entstehen Roststellen und ihre Etiketten werden schimmlig oder fallen ab. 68

Die damit zusammenhängenden Probleme haben zur Gründung eines eigenen Wissenschaftszweiges, der Laderaum-Meteorologie, geführt (Puls und Cuno 1977, Zöllner 1984, Puls 1986).

Erfolgt die Kondensation von Wasserdampf auf einer Eisoberfläche, so spricht man von Sublimation, gelegentlich findet man dafür auch den Ausdruck Deposition.

Dampfdruck

Ein wichtiges physikalisches Gesetz, das nach seinem Entdecker „Daltonsches Gesetz“ genannt wird, befasst sich mit dem Druck in Gasgemischen. Es besagt: „Jedes Gas aus einem Gasgemisch übt einen Teildruck aus. Dabei verhält es sich so, als ob die anderen Gase überhaupt nicht vorhanden wären, ihm also der gesamte Raum alleine zur Verfügung stehen würde. Der Gesamtdruck im Gasgemisch ist die Summe der einzelnen Teildrücke“.

Dalton, John;

Chemiker, Physiker und Meteorologe

* 5. oder 6.9.1766 in Eaglesfield

† 27.7.1844 in Manchester;

Privatgelehrter;

Hauptarbeitsgebiete: Thermodynamik der Gase, Messtechnik, physikalische Chemie.

Auf die Atmosphäre übertragen bedeutet das: Jedes Gas in der Atmosphäre übt auf die Erdoberfläche einen individuellen, durch sein Gewicht verursachten Teildruck des Luftdruckes aus (vgl. Seite 37). Der gesamte Luftdruck setzt sich demnach zusammen aus: Einem Teildruck, der auf den Stickstoff zurückgeht, einem, der vom Sauerstoff verursacht wird usw. Einer dieser Teildrücke stammt von dem in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf. Er wird als „Dampfdruck“ bezeichnet.

So wie der Luftdruck (Seite 37) auf das Gewicht der Luft zurückgeht, geht der Dampfdruck auf das Gewicht des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes zurück. Er ist somit im Sinne des Daltonschen Gesetzes ein Teildruck des Luftdruckes.

Der Dampfdruck eignet sich sehr gut zur Angabe des Wasserdampfgehaltes der Luft und ist deshalb zu einem häufig benutzen Feuchtemaß geworden. In Formeln wird für ihn das Zeichen „e“ verwendet. Seine Einheit ist das Millibar (mbar).

Gemessen am Gesamtluftdruck (im Mittel 1 013 mbar auf Meeresniveau; vgl. Seite 40) ist der Dampfdruck sehr klein. Er kann Werte zwischen wenig über 0 mbar bis bestenfalls 40 mbar annehmen. Sein Tagesmittel beträgt in Zentraleuropa im Sommer 15 mbar und im Winter 5 mbar; die Spitzenwerte liegen bei uns um 20 mbar (vgl. Seite 206).