Luftfeuchte

 

 

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Luftfeuchte

Luft hat die Fähigkeit, Wasser in gasförmigem Zustand aufzunehmen. Dieses Wasser ist für die menschlichen Sinne nicht sichtbar. Die Luftfeuchtigkeit – kurz Luftfeuchte – bezeichnet somit den Anteil des Wasserdampfs am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen. Die Luftfeuchtigkeit ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche technische und meteorologische Vorgänge sowie für Gesundheit und Behaglichkeit.

Die atmosphärische trockene Luft besteht zu ca. 78 % aus Stickstoff, zu ca. 21 % aus Sauerstoff und zu 1 % aus CO2 (Kohlendioxid) und weiteren Gasen, wie z.B. Edelgasen. Diese Luftzusammensetzung ist bis zu einer Höhe von etwa 100 km konstant. Eine große Ausnahme bildet der Wasserdampf in der Troposphäre. Er ist zwar immer vorhanden, aber in sehr unterschiedlicher Konzentration. Die Luft kann nämlich in Abhängigkeit von ihrer Temperatur nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen und speichern. Mit max. 4 Vol % ist der Anteil des Wasserdampfes an der Atmosphäre vergleichsweise gering. Die Feuchte unterliegt temperaturabhängig beträchtlichen Schwankungen. Ein wasserdampffreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft.

Feuchte Luft, d.h. Luft, die Wasserdampf enthält, besitzt übrigens nur etwa 62,5% des Gewichts trockener Luft. Ein feuchtes Luftpaket entwickelt daher in trockener Umgebungsluft Auftrieb.

Luftfeuchte wird erst durch Kondensation sichtbar

Das Wasser in der Atmosphäre macht weniger als 0,001 % am gesamten Wasser auf der Erde aus. Dennoch hat Wasserdampf in der Luft eine herausragende Bedeutung für unser Klima. Die Luftfeuchte ist eines der wetterwirksamsten meteorologischen Elemente. Gleichzeitig werden durch den Wasserdampfgehalt der Luft eine ganze Vielzahl von chemischen, physikalischen und biologischen Prozessen hervorgerufen oder beeinflußt, so daß der Feuchtegehalt der Umgebungsluft in zahlreichen Anwendungsgebieten eine wichtige Prozeßgröße darstellt. Über den Ozeanen und anderen Gewässern, aber auch über Wäldern, sonstigen Vegetations- und Feuchtflächen sowie über Landflächen verdunsten ständig riesige Mengen von Wasser, welche als Wasserdampf in die Luft übergehen. Dieser gelöste Wasserdampf ist geruchlos und genauso wenig sichtbar wie die restlichen Gase der Luft. In der Atmosphäre kommt dieses Wasser in allen seinen Aggregatzuständen vor: fest (Eis, Schnee), flüssig (Regen) und gasförmig (Wasserdampf). Flüssiges Wasser (z.B. Regentropfen, Nebeltröpfchen) oder Eis (z.B. Schneekristalle) gehorchen aber anderen physikalischen Gesetzen und werden der Luftfeuchte folglich nicht zugerechnet. Die Wasseraufnahme der Luft ist vor allem von der Temperatur abhängig, nicht jedoch vom Druck. Das bedeutet, daß Druckluft nicht mehr Wasser pro Volumeneinheit aufnehmen kann als Luft unter Atmosphärendruck.

  • Die Luftfeuchtigkeit bezeichnet somit den Anteil des gasförmigen Wassers (Wasserdampf) am Gemisch der verschiedener Gase der Erdatmosphäre.
  • Die Luftfeuchte ist eine wichtige Prozeßgröße für viele meteorologische Vorgänge.

     

Wasserdampf

Im Wettergeschehen spielt vor allem Wasserdampf die entscheidende Rolle. Die Menge an Wasserdampf, die in der Luft enthalten sein kann, ist allerdings begrenzt. Diese maximale Menge hängt von der Temperatur der Luft ab (je höher die Temperatur desto mehr Wasserdampf kann aufgenommen werden). Das kennt jeder z.B. vom Haare föhnen. Die Menge des Wasserdampfes in der Luft kann man entweder direkt in Gramm Wasser pro Kubikmeter Luft (absolute Feuchte) bzw. in Gramm Wasserdampf pro Kilogramm trockener Luft angeben (Mischungsverhältnis) oder als Relation der vorhandenen zur maximal möglichen Feuchte (relative Feuchte). Die Menge an Wasser, die Luft aufnehmen kann, hängt von der Lufttemperatur ab. Warme Luft kann viel Wasserdampf lösen, kalte Luft nur wenig.

Ein Kilogramm Luft kann bei 30° C und 1 bar Druck etwa 26 Gramm Wasserdampf als Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Bei nur 10° C fällt diese Menge auf ca. 7,5 g/kg ab. Wenn die maximale Menge an Wasserdampf erreicht ist, welche die Atmosphäre aufnehmen kann, dann ist sie mit Wasserdampf gesättigt.

Das nebenstehende Diagramm ist die sog. Taupunktkurve oder Sättigungskurve. Der Taupunkt ist die Temperatur, bis zu der sich eine Luftmasse abkühlen muss, damit das in ihr beinhaltete Wasser kondensiert. Die Kurve (rote Linie) des Diagramms stellt die maximale Luftfeuchte bei verschiedenen Temperaturen dar. Die rote Kurve zeigt, daß die maximale Luftfeuchte temperaturabhängig ist. Die Wassermenge, welche die Luft tatsächlich enthält, liegt zumeist unter diesem Grenzwert und wird nur in seltenen Fällen erreicht. Die Sättigungskurve zeigt außerdem, daß die maximale Luftfeuchte bei niedriger Temperatur gering ist und mit zunehmender Temperatur rasch ansteigt.

Steigt die Lufttemperatur bei gleich bleibendem Wasserdampfgehalt, so bleibt die absolute Feuchtigkeit gleich, während die relative Feuchte abnimmt. Ein Abfall der Temperatur oder die weitere Zufuhr von Wasserdampf erhöht die relative Feuchte, bei Überschreiten des Sättigungspunktes kondensiert der Wasserdampf zu flüssigem Wasser, das dann als Wolke oder Nebel sichtbar wird bzw. als Regen oder Tau ausfällt. So ist z.B. ein und dieselbe Luft bei 10° C völlig gesättigt, hat bei 20° C aber eine relative Feuchte von nur noch 52 % und ist dann also "relativ" trocken. Diesen Zusammenhang zeigt die Tabelle rechts zur relativen Luftfeuchte.

Was passiert, wenn die absolute Luftfeuchte größer als die maximale wird, wenn also die relative Luftfeuchte 100% übersteigt?

Beträgt die relative Luftfeuchtigkeit mehr als 100 %, dann ist die Luft übersättigt. Dann wechselt der gasförmige Wasserdampf in den flüssigen Zustand. Wasserdampf kondensiert also zu Wasser. Erst dann können sich in der Atmosphäre Wolken bilden; Wolken bestehen nämlich nicht aus Wasserdampf, sondern aus flüssigem Wasser bzw. aus Eis! Das überschüssige Wasser wird somit als Niederschlag in Form von Tau, Reif, Raureif, Nebel, Schnee, Hagel oder Regen aus der Luft ausgeschieden. Durch die Bildung von Wolken aufgrund des kondensierenden Wasserdampfs wird außerdem eine starke Dämpfung der Sonneneinstrahlung auf die Erde hervorgerufen. Das kennt jeder, wie es deutlich kühler wird, wenn eine Wolke sich vor die Sonne schiebt.


Luftfeuchte

 

relative Feuchte

Relative Luftfeuchte und absolute Feuchte

Kondensation

Befinden sich feste Körper in der Nähe der Abkühlungsstelle, so bilden sich an seiner Oberfläche die ersten Tröpfchen, z.B. die Tautropfen an Blättern und Gräsern nach einer nächtlichen Abkühlung oder wie die Abildung links zeigt auf einer Wasserflasche.

In Wohnungen können deswegen an kalten Tagen die Fenster beschlagen, weil in infolge des starken Wärmeverlustes an den dünnen Glasscheiben die Temperatur stark absinkt. Bei ungenügender Wärmeisolierung eines Hauses kann die Innentemperatur der Wände auch unter den Taupunkt sinken. Dann schlägt sich an ihnen Feuchtigkeit nieder und bildet das sog. Schwitzwasser.  

Wird die Temperatur erhöht, nimmt der Anteil an Wassermolekülen zu, welche genügend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberfläche zu verlassen (siehe unten Verdunstung). Es stellt sich also eine höhere Verdunstungsrate ein, welche zur Wiederherstellung des Gleichgewichts durch eine höhere Kondensationsrate kompensiert werden muss, was aber eine höhere Konzentration von Wassermolekülen in der Luft voraussetzt.

Die Sättigungskonzentration des Wasserdampfs nimmt daher, wie in der Sättigungskurve (rechts oben) dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der Wasserdampf hat für jede Temperatur (und fast unabhängig vom Umgebungsdruck) eine eindeutig bestimmte Sättigungskonzentration. Bei atmosphärischem Normaldruck von 1013,25 hPa kann ein Kubikmeter Luft bei 10 °C maximal 9,41 g Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt aber bei 30 °C schon 30,38 g Wasser auf und bei 60 °C sind es sogar über 100 g Wasser. Man bezeichnet diese Sättigungskonzentration als maximale Feuchtigkeit. Diesen Zusammenhang zeigt die Tabelle rechts oben.

Weiteres steht im Kapitel Wasserdampf.

 

Verdunstung und Kondensation

Jeder Brillenträger kennt das Phänomen: Wenn man im Winter nach einem Spaziergang an der frischen, kalten Luft 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. Beim Verdunsten geht ein Stoff von der flüssigen in die gasförmige Phase über ohne zu sieden z.B. beim Trocknen von Wäsche bei Raumtemperatur. Beim Verdampfen findet die gleiche Zustandsveränderung statt, jedoch siedet hier das Wasser. Beiden Prozessen ist aber gemeinsam, daß dabei aus flüssigem Wasser gasförmiger Wasserdampf wird.

Die Verdunstung läuft ungefähr 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“, d.h. in die Luft übergehen 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 und 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 oder anderen geeigneten Oberflächen wieder „eingefangen“. Aus gasförmigem Wasserdampf wird bei der Kondensation durch abkühlen also wieder flüssiges Wasser. Die Anzahl der Teilchen, die kondensieren (die Kondensationsrate), ist umso größer, je mehr Wasserdampfteilchen in der Luft vorhanden sind, da dann auch mehr Teilchen von der Wasseroberfläche eingefangen werden können. Beispielsweise ist das Badezimmer nach einem Bad oder dem Duschen oft voll von Dampf und Luftfeuchte. Die warme, feuchte Luft kondensiert am kalten Badezimmerspiegel und wird dabei wieder flüssig. Wir sehen Tropfen auf dem Spiegel.

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 gering. 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.

Weitere Einzelheiten dieser Vorgänge werden im Kapitel Wasser näher beschrieben.

 

Sättigung

Bei konstanter Temperatur und anfangs trockener Luft, stellt sich bei der Verdunstung eine der Temperatur entsprechende Verdunstungsrate ein, während die Kondensationsrate mangels Wassermolekülen in der Luft gleich Null ist. Die Verdunstung ist also zunächst größer als die Kondensation, so daß die Anzahl von Wassermolekülen in der Luft ansteigt. Zugleich wächst damit aber wiederum auch die Kondensationsrate und die Nettoverdunstung (Verdunstungsrate minus Kondensationsrate) nimmt ab. Die Menge der Wassermoleküle in der Luft durch Verdunstung und damit auf der Gegenseite die Kondensationsrate steigen so lange an, bis Kondensationsrate und Verdunstungsrate gleich sind. Es treten also pro Zeiteinheit ebenso viele Wassermoleküle vom Wasser in die Luft über wie von der Luft ins Wasser. Damit ist dann ein Gleichgewicht erreicht, in dem die Nettoverdunstung null ist, obwohl weiterhin ein ständiger Teilchenaustausch zwischen Luft und Wasser stattfindet. 

Diese im Gleichgewichtszustand vorliegende Konzentration von Wassermolekülen in der Luft ist die Sättigungskonzentration. Steigt die Temperatur, wird sich eine höhere Sättigungskonzentration einstellen, da die nun ebenfalls erhöhte Verdunstungsrate zur Erreichung eines neuen Gleichgewichts durch eine höhere Kondensationsrate wieder kompensiert werden muß, was eine höhere Teilchendichte in der Luft voraussetzt. Die Höhe der Sättigungskonzentration hängt also von der Temperatur, d.h. von der kinetischen Energie der Wasserteilchen ab. 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 (siehe Abbildung oben) darstellen.

Dunstschwaden über Wasser

Deswegen wird die Sättigungskonzentration auch nicht von der Temperatur der Luft bestimmt, sondern von der Temperatur der verdunstenden Oberfläche. Der Bezug auf die Temperatur der Luft ist in der Alltagspraxis trotzdem oft gerechtfertigt, da verdunstende Flächen geringer thermischer Trägheit meist näherungsweise Lufttemperatur annehmen (z.B. an der Luft trocknende Wäsche). Ist jedoch die verdunstende Oberfläche deutlich wärmer als die Luft, so verdunsten die Wassermoleküle mit einer der Oberflächentemperatur entsprechenden höheren Verdunstungsrate in die kühlere Luft hinein (warmes Wasser), auch wenn deren Sättigungskonzentration dabei überschritten wird. Ein Teil der Feuchtigkeit kondensiert dann in der Luft an den kühleren Aerosolen, welche Lufttemperatur angenommen haben, und wird als Dampf- oder Nebelschwaden sichtbar wie beispielsweise die Dunstschwaden über einem herbstlichen See. Ist die Oberfläche kühler als die Luft, kann unter Umständen auch der Feuchtigkeitsgehalt teilgesättigter Luft zu Übersättigung und Kondensation an der Oberfläche führen (zum Beispiel beschlagene Fenster in Küche oder Bad).

Wird mit Wasserdampf gesättigte Luft unter einen bestimmten Temperaturwert, den Taupunkt, abgekühlt, dann scheidet sie flüssiges Wasser durch Kondensation aus und bildet feinste Tröpfchen. Erst dadurch wird das vorher gelöste Wasser als Nebel oder Dunst sichtbar. Dieser Effekt findet z.B. beim Beschlagen von Fensterscheiben, bei der Taubildung und ähnlichen Phänomenen statt.

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. Das zeigt die Tabelle rechts oben. 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.

Die Verdunstungsrate des Wassers kann außerdm bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Es dauert daher längere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Störung wieder eingestellt hat. Wurde beispielsweise durch nächtliche Abkühlung ein Teil des Feuchtigkeitsgehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwärmung zunächst ungesättigt und kann den Sättigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsättigung ist für unsere Atmosphäre wegen der häufigen Temperaturschwankungen der Normalfall. Es ist für zahlreiche Vorgänge von großer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sättigungszustand entfernt ist. Die verschiedenen Feuchtigkeitsmaße dienen dazu, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.

 

Übersättigung

Wird die Sättigungskonzentration einer feuchten Luftmasse durch eine Zufuhr von weiteren Wassermolekülen erhöht, steigt wegen der größeren Dichte an Wassermolekülen in der Luft die Kondensationsrate vorübergehend über die Verdunstungsrate hinaus an und die Konzentration an Wassermolekülen sinkt wieder auf den Gleichgewichtswert. Dabei schlägt sich der Wasserdampf an jeder sich bietenden Kondensationsfläche nieder, bis seine Konzentration wieder auf die Sättigungskonzentration abgesunken ist. Fehlen solche Kondensationsflächen oder Kondensationskerne, kann die Luft dauerhaft erhebliche Mengen von Wasserdampf aufnehmen, bis es schließlich zu einer spontanen Entstehung von Wassertröpfchen kommt. Spontane Kondensation von Wasserdampf zu Wassertröpfchen findet ohne Kondensationskeime aber erst bei extremer Übersättigung von mehreren hundert Prozent relativer Feuchtigkeit statt. In der Praxis sind jedoch fast immer genügend Aerosole in der Luft vorhanden, so dass es in der Atmosphäre kaum zu derartigen Übersättigungen kommt.

 

Feuchtemeßgrößen

Zur Kennzeichnung der in der Luft enthaltenen Feuchte werden verschiedene Meßgrößen herangezogen:

  • absolute Luftfeuchtigkeit
    Menge des in der Luft tatsächlich vorhandenen Wasserdampfes [g/m3]
  • maximale Luftfeuchtigkeit oder Sättigungsfeuchte
    Menge an Wasserdampf , welche die Luft bei einer bestimmten Temperatur höchstens aufnehmen kann. Sie ist temperaturabhängig, d.h. in kälterer Luft ist sie kleiner als in wärmerer Luft (größtmöglicher Wert der absoluten Luftfeuchtigkeit) [g/m³]
  • relative Luftfeuchtigkeit
    Die Luftfeuchtigkeit an sich gibt den Wasserdampfgehalt der Luft an. Wieviel Wasserdampf die Luft aufnehmen kann, hängt stark von deren Temperatur und dem Luftdruck ab. Man spricht deshalb von relativer Luftfeuchtigkeit. Sie beschreibt den momentanen Wasserdampfgehalt der Luft als Prozentwert zur maximal möglichen Aufnahmemenge bei gegebenen Verhältnissen. Die relative Luftfeuchtigkeit stellt also keinen absoluten Wert der Feuchtigkeit dar. 100% relativer Luftfeuchte bedeutet daher nicht, dass man sich unter Wasser befindet. Es heißt lediglich, dass die Luft momentan nicht mehr Wasserdampf aufnehmen kann und eine Sättigung vorhanden ist. Quotient aus absoluter und maximaler Luftfeuchtigkeit, multipliziert mit Hundert [% relative Feuchte]
     
  • spezifische Feuchte
    Gewicht des Wasserdampfs in Gramm je Kilogramm feuchter Luft [g/kg] (Verhältnis der Massen von Wasserdampf und feuchter Luft)
  • Mischungsverhältnis (Wassergehalt)
    Gewicht des Wasserdampfs in Gramm je Kilogramm trockener Luft [g/kg] (Verhältnis der Massen von Wasserdampf und trockener Luft)
  • Dampfdruck
    Druck, den der in der Luft enthaltene Wasserdampf ausübt (Partialdruck als Anteil am Gesamtluftdruck) [hPa]
  • Sättigungsdampfdruck
    Druck, den der Wasserdampf bei einer bestimmten Temperatur ausüben kann (größtmöglicher Wert des Dampfdruckes) [hPa]. Da die Luft mit steigender Temperatur mehr Wasserdampf aufnehmen kann, erhöht sich mit zunehmender Temperatur auch der Sättigungsdampfdruck.
  • Sättigungsdefizit
    Differenz zwischen Sättigungsdampfdruck und Dampfdruck [hPa] bzw. zwischen maximaler und absoluter Luftfeuchtigkeit [g/m³]
  • Taupunkttemperatur
    Temperatur der Luft, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist [°C]. Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt dann 100%. Bei weiterer Zufuhr von Wasserdampf oder Abkühlung der Luft tritt Kondensation ein.
  • Taupunktdifferenz
    Differenz zwischen Lufttemperatur und Taupunkt in Kelvin

     

Mehr dazu steht im Kapitel Feuchtemeßgrößen.

 

Luftfeuchte und Wetter

Kühlt mit Wasserdampf gesättigte Luft unter den Taupunkt ab, scheidet sich flüssiges Wasser durch Kondensation aus der Luft ab. Die Kondensation und ab Temperaturen unter 0 °C auch Resublimation des Wasserdampfs führen unter anderem zur Wolken-, Schnee-, Nebel-, Tau- und Reifbildung. Wasserdampf ist daher kein permanentes Gas der Atmosphäre, sondern weist mit einer statistischen Verweildauer von nur etwa zehn Tagen sogar eine ausgesprochen hohe Mobilität auf. Obwohl Wasserdampf nur mit relativ geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vertreten ist, trägt er durch seine hohe Mobilität und den damit verbundenen Stoffumsatz wesentlich zum globalen Wasserkreislauf bei und spielt daher in der Wasserbilanz eine wichtige Rolle. Die Luftfeuchtigkeit ist auch eine wichtige Eingangsgröße zur Niederschlagsbildung bzw. bei deren Berechnung und auch bei der Bestimmung der Verdunstung bzw. der Evaporation, Transpiration und Interzeptionsverdunstung. Dies ist im Rahmen der klimatischen Wasserbilanz wesentlich für die verschiedenen Klimaklassifikationen.

Aus der Luftfeuchtigkeit lassen sich außerdem wichtige meteorologische Größen ableiten, wie zum Beispiel das Kondensationsniveau und die virtuelle Temperatur. Auch ist die Luftfeuchtigkeit bzw. der Wasserdampf wesentlich am Strahlungshaushalt der Atmosphäre beteiligt – Wasserdampf ist das bedeutendste Treibhausgas. Wasserdampf, insbesondere jedoch Wolken verhindern die nächtliche Abkühlung der Erdoberfläche, da sie durch Absorption und Re-Emission einen Ausgleich der Strahlungsbilanz der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche herstellen.

Die im flüssigen Aggregatzustand des Wassers gespeicherte latente Wärme bedingt den Unterschied zwischen feucht- und trockenadiabatischem Temperaturgradienten – eine der Voraussetzungen für die Entstehung von Föhn.

 

Luftdruck und -dichte

Luftfeuchte und Höhe

Der Wasserdampfdruck nimmt wie z.B. der Luftdruck mit zunehmender Höhe und damit abnehmender Lufttemperatur zunächst sehr rasch und dann ab 3 km Höhe nur noch langsam ab. In 10 km Höhe beträgt er nur noch etwa 1 % des Bodenwertes. Die relative Luftfeuchtigkeit zeigt jedoch keinen derart eindeutigen Trend. Sie ist in Höhe der Tropopause, die in Mitteleuropa bei etwa 11 km Höhe liegt, sehr gering. Sie beträgt hier im Normalfall etwa 20 % und sinkt mit zunehmender Höhe weiter ab, was auch der Grund dafür ist, daß die Wolkenbildung fast ausschließlich auf die Troposphäre begrenzt ist.

 

 

 

 

Luftfeuchte und Luftfahrt

Das Fliegen wäre um einiges einfacher, gäbe es nicht die Luftfeuchte mit ihrem enormen Einfluß auf die atmosphärischen Bedingungen. Die Luftfeuchte ist für mehr gefährliche Situationen während des Flugs ursächlich als jedes andere Wetterphänomen. In der Luftfahrt besteht vor allem die Gefahr des Vereisens von Tragflächen und Leitwerk durch die Resublimation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes. Dieser Effekt kann die Flugfähigkeit binnen kürzester Zeit sehr stark einschränken und ist für zahlreiche Unfälle verantwortlich.

Randwirbel

Die Unterschreitung des Taupunktes kann man bei Flugzeugen oft im Bereich der Randwirbel beobachten. Die Randwirbel an den Enden der Tragflächen führen zu einem lokalen Absinken des Luftdruckes und nach dem 2. Gesetz von Gay-Lussac zu lokaler Abkühlung der Luft. Der Taupunkt wird lokal unterschritten und es entsteht Nebel. Ist die Luftfeuchtigkeit bei Temperaturen unter Null besonders hoch, kommt es bei Flugzeugen zur gefürchteten Tragflächenvereisung – dann reicht bereits der Unterdruck oberhalb und hinter den Tragflächen und Leitwerken, um eine Bereifung auszulösen.

Eisschichten können sich am Flugzeug, besonders an den Tragflächen, während des Durchfliegens von Wolken unter 0 °C bilden. Für Passagierflugzeuge und moderne, größere Sportflugzeuge hat die Vereisung heute ihre Schrecken weitgehend verloren. Hier sorgen Enteisungsanlagen für eisfreie Tragflächen. Dabei werden die kritischen Bereiche, insbesondere die Tragflächenvorderkanten, beheizt um Eisansatz zu verhindern. Eine preisgünstigere Methode besteht darin, die Tragflächenvorderkante mit einer Haut aus Gummi zu überziehen und stoßweise Druckluft zwischen die Gummihaut und die Tragfläche zu pressen. Die Haut wölbt sich und durch die Verformung wird das starre Eis abgesprengt. Auch die damit geflogenen hohen Geschwindigkeiten führen zur aerodynamischen Erwärmung und lassen keinen Eisansatz zu. Für Flugzeuge ohne Enteisungsanlage besteht jedoch größte Gefahr, wenn sich Eis an Tragflächen, Leitwerk oder Propeller bildet. Ein Flugzeug vereist, wenn die Temperatur seiner Außenhaut unter 0 °C beträgt und es eine Wolke durchfliegt, in der unterkühlte Wassertröpfchen vorhanden sind. Auch wenn das Flugzeug durch ein Gebiet mit unterkühlten Regentropfen fliegt, kann es unmittelbar zur Vereisung kommen. In der Luft und am Boden kann es zur Vereisung kommen, wenn die Temperatur der Flugzeugaußenhaut gleich ist oder tiefer als der Reifpunkt (Taupunkt bei negativen Temperaturen), so daß der Wasserdampf der Luft auf dem Flugzeug sublimiert und sich eine Reifschicht bildet.

Wegen der besonderen Gefährdung durch Vereisung werden umfangreiche Vorsichtsmaßnahmen getroffen: Die Flugwetterberatung gibt deswegen entsprechende Flugwetterwarnungen (SIGMETs) für Flugzeuge im Flug heraus und weist auch bei der Flugplanung bezüglich der Flughöhe darauf hin.

Eine interessante Veröffentlichung der AOPA zu diesem Thema gibt es hier.

Ein weiteres Problem ist die Vereisung der Vergaser von Ottomotoren in den kleineren Flugzeugen, wie sie in der allgemeinen Luftfahrt gebräuchlich sind. Vergaservereisung kann zum Motorausfall führen. Sie beruht im Wesentlichen auf der Abkühlung der Luft aufgrund der Verdunstungskälte des Benzins, teilweise auch aufgrund des Unterdruckes, der die Luft zusätzlich abkühlt.

 

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