Wasserdampf

 

 

Physik des WassersWasserkreislaufWasserdampfWolkenNiederschlag
Home 
Flugsport 
Meteorologie 
Atmosphre 
Wasser 
Wasserdampf 

 

Hier erfahren Sie etwas ber

Wasserdampf

Wasserdampf spielt in der Meteorologie eine entscheidende Rolle. Als Wasserdampf  wird der gasfrmigen Aggregatzustand des Wassers bezeichnet. Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasfrmiges Wasser, das unsichtbar ist wie Luft. Wasserdampf ist als geruchsloses Gas ein omniprsenter Bestandteil der Troposphre. Die Troposphre ist die unterste Schicht der Erdatmosphre, die abhngig von der Temperatur eine Mchtigkeit von etwa 8 km an den Polen und bis zu rund 17 km am 훢uator erreicht. In dieser Luftschicht spielen sich nahezu alle wetterrelevanten Vorgnge wie z.B. die Wolkenbildung und die Niederschlagsprozesse ab.

Einzelheiten zum Wasser steht im Kapitel Wasser, einfhrende Worte zum Wasserdampf im Kapitel Feuchte.

In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nadampf), wie er auch als Nebel oder in Wolken vorkommt. Bei normalem atmosphrischem Druck kocht und verdampft Wasser bei 100 캜.

Im Wettergeschehen spielt insbesondere der bodennahe Wasserdampf eine entscheidende Rolle. In der Luft kann allerdings nur eine begrenzte Menge an Wasserdampf enthalten sein. Diese maximale Menge hngt von der Temperatur der Luft ab, d.h. je hher die Temperatur desto mehr Wasserdampf kann aufgenommen werden. Das kennt jeder z.B. vom Haare fhnen. 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 (Mischungsverhltnis) oder als Relation der vorhandenen zur maximal mglichen Feuchte (relative Feuchte).

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphre hat wie die Lufttemperatur einen ausgesprochenen Tages- und Jahresgang. Er nimmt mit der Temperatur sowohl vom 훢uator zu den Polen hin als auch vom Erdboden aus mit der Hhe ab. Wegen der temperaturabhngigen Phasenbergnge sowie der grorumigen Luftmassentransporte ist die Verteilung des Wasserdampfs starken zeitlichen und rtlichen Schwankungen unterworfen.

Wasserdampfgehalt der Atmosphre

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

Steigt die Lufttemperatur bei gleich bleibendem Wasserdampfgehalt, so bleibt die absolute Feuchtigkeit gleich, whrend sich die relative Feuchte erniedrigt. Ein Abfall der Temperatur oder die weitere Zufuhr von Wasserdampf erhht die relative Feuchte, bei berschreiten des Sttigungspunktes kondensiert der Wasserdampf zu flssigem Wasser, das dann als Wolke oder Nebel sichtbar wird bzw. als Regen oder Tau ausfllt. So hat z.B. dieselbe bei 10 캜 vllig gesttigte Luft bei 20 캜 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 gr秤er als die maximale wird, wenn also die relative Luftfeuchte 100 % bersteigt?
Betrgt die relative Luftfeuchtigkeit mehr als 100 %, dann ist die Luft bersttigt. Dann wechselt der gasfrmige Wasserdampf in den flssigen Zustand. Wasserdampf kondensiert also zu Wasser. Erst dann knnen sich in der Atmosphre Wolken bilden; Wolken bestehen nmlich nicht aus Wasserdampf, sondern aus flssigem Wasser bzw. aus Eis! Das berschssige 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 eine starke Dmpfung der Sonneneinstrahlung auf die Erde hervorgerufen. 

relative Feuchte

Relative Luftfeuchte und absolute Feuchte

Kondensation

Befinden sich feste Krper in der Nhe der Abkhlungsstelle, so bilden sich an seiner Oberflche die ersten Trpfchen, z.B. die Tautropfen an Blttern und Grsern nach einer nchtlichen Abkhlung oder wie die Abildung links zeigt auf einer Wasserflasche.

In Wohnungen knnen deswegen an kalten Tagen die Fenster beschlagen, weil in infolge des starken Wrmeverlustes an den dnnen Glasscheiben die Temperatur stark absinkt. Bei ungengender Wrmeisolierung eines Hauses kann die Innentemperatur der Wnde auch unter den Taupunkt sinken. Dann schlgt sich an ihnen Feuchtigkeit nieder und bildet das sog. Schwitzwasser.  

Dampfdruck und Luftdruck

 

Dampfdruck und Luftdruck

Die Temperatur in der Atmosphre nimmt, wie im Kapitel Temperaturgradient gezeigt wird, mit zunehmender Hohe ab. Somit mu auch der Sttigungsdampfdruck des in der Atmosphre enthaltenen Wasserdampfes abnehmen. Da es in der Atmosphre keine nennenswerte bersttigung gibt, mssen also der Dampfdruck und die absolute Feuchtigkeit mit der Hhe ebenfalls abnehmen. Die Luft enthlt daher mit zunehmender Hhe immer weniger Wasser. Das heit aber nicht, da die relative Feuchtigkeit abnimmt, vielmehr kann diese jeden Wert zwischen 0 % und 100 % annehmen und auch in den verschiedenen Luftschichten unterschiedlich zu- oder abnehmen. Bei Hheninversionen kann z.B. hufig beobachtet werden, da die relative Feuchtigkeit unter der Inversion deutlich hher als darber ist. So kommen oft ausgedehnte Wolkenfelder unmittelbar unter der Inversion vor.

Die Abbildung links zeigt die durchschnittliche Vernderung des Dampf- und Luftdrucks mit der Hhe. Der Dampfdruck nimmt wegen der gleichzeitigen Abnahme der Temperatur wesentlich rascher ab als der Luftdruck.

 

Wasserdampf und Luftdichte

Gem癌 dem idealen Gasgesetz enthlt ein Kubikmeter Luft eine bestimmte Anzahl von Moleklen und jedes Molekl hat ein bestimmtes Gewicht. Die Luft besteht zum gr秤ten Teil aus Stickstoffmoleklen (N2) und zu einem geringeren Anteil aus Sauerstoffmoleklen (O2) sowie aus anderen Moleklen, wie insbesondere Wasserdampf. Da die Luftdichte das durch das Volumen geteilte Gewicht der Luftmolkle ist, mssen wir das Gewicht von jedem der Molekle in der Luft beachten. Stickstoff hat ein Atomgewicht von 14, ein N2-Molekl hat also ein Gewicht von 28. Fr Sauerstoff ist das Atomgewicht 16, so da ein O2-Molekl ein Gewicht von 32 aufweist. Nun zum Wassermolekl, H2O, das, wie die Formel zeigt, aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom besteht. Wasserstoff (H) hat ein Atomgewicht von 1, so da das H2O-Molekl ein Gewicht von nur 18 hat.

Festzuhalten ist damit, da ein Wassermolekl ein deutlich geringeres Gewicht hat als ein Stickstoff-Molekl oder ein Sauerstoff-Molekl. Gleichzeitig enthlt ein gegebenes Luftvolumen nur eine bestimmte Anzahl von Moleklen. Sind anstelle trockener Luft nun aber leichtere Wassermolekle darin enthalten, wird es weniger wiegen als dasselbe Volumen ohne Wassermolekle. Wasserdampf ist also leichter als trockene Luft. Daher ist feuchte Luft, d.h. Luft mit einem Anteil von Wasserdampf, leichter als trockene Luft.
Diese Tatsache erklrt sich eigentlich von selbst. Wasserdampf entsteht in der Atmosphre durch Verdunstung von Wasser aus Pflanzen, dem Boden oder von offenen Wasserflchen. Wre feuchte Luft schwerer als gleich warme trockene Luft, m廻te sie am Boden liegen bleiben. Dann wre die Sttigung, der Zustand, in dem die Luft kein weiteres Wasser mehr aufnehmen kann, sehr schnell erreicht und die Verdunstung wre beendet. Dem ist in der Natur aber nicht so. Vielmehr steigt feuchte Luft selbst ohne Temperaturunterschied zur umgebenden trockenen Luft allein schon wegen des Gewichtsunterschieds nach oben auf und setzt damit die Konvektion in Gang.
Hierzu im Kapitel "Wasser" mehr.

Tritt also Wasserdampf hinzu, verringert sich die Luftdichte, so da die Gaskonstante 껽 in der  Formel zum idealen Gasgesetz einen hheren Wert annimmt. Zu beachten ist, da der Wert der Gaskonstanten nur fr trockene Luft gilt, also ohne Bercksichtigung des in der freien Atmosphre stets enthaltenen Wasserdampfes. Dies entspricht der Vorgabe der Standardatmosphre, fr die bekanntlich eine relative Luftfeuchte von 0 % gilt. Die dargestellte Gasgleichung stellt somit verschiedenen Bestandteile der sog. atmosphrischen Zustandsgr秤en hier: Luftdruck, Lufttemperatur und Luftdichte in einen Zusammenhang; sind zwei dieser Gr秤en bekannt, lsst sich die dritte berechnen. Die Luftdichte trockener Luft ist somit nur abhngig vom Luftdruck und der Lufttemperatur. Die Gaskonstante fr trockene Luft betrgt brigens 287 J/(kg K).

Feuchte Luft ist also weniger dicht.

Beispiel:
Aus der Auftriebsformel ist bekannt, da der Auftrieb eines Flgels zur Luftdichte direkt proportional ist. Wenn ein bestimmter Flgel auf Meereshhe und bei Standardbedingungen, wo die Dichte 1.225 kg/m3 betrgt, beispielsweise 1.500 kg heben kann, wie viel kann der Flgel dann an einem warmen Sommertag in Kempten heben, wenn die Lufttemperatur 35 캜, der Luftdruck 828 hPa und der Taupunkt 19,4 캜 betrgt?
Die Antwort ist ungefhr 1.134 kg.

Feuchte Luft ist also weniger "tragfhig", d.h. in feuchter Luft ist das Flugzeug aerodynamisch weniger leistungsfhig, es erzeugt also weniger Auftrieb.

Luftfeuchte beeintrchtigt aber nicht nur das aeroynamische Verhalten des Luftfahrzeugs, sie vermindert auch dessen Motorleistung. Allerdings ist insoweit der Einflu der Luftfeuchte gegenber anderen Vernderungen der Luftdichte nur von untergeordneter Bedeutung und kann daher in der Praxis weitgehend vernachlssigt werden.

Wasserdampf und Technik

Bei normalem atmosphrischem Druck kocht und verdampft Wasser bei 100 캜. Wasserdampf bildet sich aber gem癌 dem Dampfdruck des Wassers auch schon bei niedrigeren Temperaturen. Der bergang von Wasser zu Wasserdampf  hat bei jeder Temperatur einen zugeordneten Druck: Bei 100 캜  ist das 1 bar, bei 200 캜 sind das 15,5 bar bei 300 캜 aber schon 85,9 bar. Dieses Temperatur-Druck-Verhltnis besteht weiter bis zum kritischen Punkt bei 374 캜 und 220 bar. Wegen der bei der Verdampfung mitgerissenen Wassertrpfchen wird dieser Dampf "Nassdampf" genannt. Oberhalb dieser kritischen Temperatur ist kein flssiges Wasser mehr mglich. In diesem Temperaturbereich ist der Wasserdampf gasfrmig und wird "berkritisch" genannt. Unterhalb dieses Punktes ist der Wasserdampf "unterkritisch". Wird er nun ber seine Verdampfungstemperatur weiter erwrmt, entsteht berhitzter Dampf oder Heidampf. Diese Form des Dampfes beinhaltet keinerlei Wassertrpfchen mehr und hnelt in seinem physikalischen und technischen Verhalten eher einem Gas. Heidampf ist unsichtbar, bei Kontakt mit der Umgebungsluft kondensiert er aber unmittelbar zu Nassdampf in Form von feinen Wassertrpfchen und wird damit sichtbar.

Wasser dehnt sich ab 100 캜 als Dampf auf das 1.700-fache Volumen seines flssigen Zustands aus. Bei weiterem berhitzen des Dampfes auf 250 캜 steigt das Volumen sogar auf das 2.450-fache, wobei der ursprngliche Verdampfungsdruck von 1 bar erhalten bleibt. Diese enorme Ausdehnung kann in einer Dampfmaschine oder in einer Dampfturbine in mechanisch nutzbare Arbeit umgewandelt werden.

Wasserdampf wird technisch eingesetzt

  • in der Antriebstechnik bei Dampfmaschinen und Dampfturbinen,
  • zu verschiedenen Zwecken bei denen Druck und Wrme gebraucht werden, z.B. zur Reinigung oder Sterilisierung,
  • in der Kche zur schnellen und schonenden Zubereitung von Lebensmitteln mittels Dampfdruckgaren,
  • in der Medizin unter anderem bei der Inhalation zur Heilung von Husten oder Asthma.

Wasserdampf und Klima

Wasser beeinflut entscheidend unser Klima und ist die Grundlage nahezu aller Wettererscheinungen, vor allem wegen seiner hohe Mobilitt und Wrmekapazitt. Im Zusammenhang mit der Diskussion um die Klimaerwrmung und den sog. Treibhaus-Effekt ist zu bemerken, da Wasserdampf das bei weitem wichtigste Treibhausgas ist! Der Treibhauseffekt ist nmlich in keiner Weise nur vom Menschen erzeugt. Es handelt es sich vielmehr bei genauerer Betrachtung um eine ganz natrliche Fhigkeit der Atmosphre. Die aufgenommene Energie wird von der Erde wie von jedem warmen Krper auch wieder in Form von Wrmestrahlung abgegeben. Von der Atmosphre wird nun diese von der Erdoberflche abgestrahlte Wrme auf ihrem Weg zurck ins Weltall fr einige Zeit zurckgehalten und gespeichert. Sie umgibt uns dadurch mit einer wrmeren bodennahen Lufthlle von im weltweiten Mittel +15 캜. Ohne diesen Effekt wrde der Temperaturdurchschnitt in der unteren Atmosphre bei -18 캜 liegen und es wre auf der gesamten Erde bitter kalt. Auf diese Weise umgibt die Atmosphre die Erde wie ein natrlicher Pullover, der die von ihr abgestrahlte Wrme zurckhlt.

Wasserdampfanteil am Treibhaus-Effekt

Kohlendioxid

Methan

Stickoxid

Wasserdampf

Der Wasserdampf bildet zusammen mit anderen Gasen den Treibhauseffekt, der die langwellige Strahlung an die Erdoberflche zurckemittiert und damit nicht in den Weltraum abgibt. Sinkt der Wasserdampfgehalt, steigt die Ausstrahlung und damit die Abkhlung in der Nacht. Diesen Effekt kennt jeder von hheren Lagen, wo der Wasserdampfgehalt der Luft geringer und deshalb die abendliche Abkhlung strker ist. Dieser Effekt tritt insbesondere auch in der Wste auf. Die Nchte knnen dort deswegen durchaus bitter kalt werden. Allein der in der Atmospre befindliche Wasserdampf absorbiert also ein Vielfaches dieser Erdstrahlung als alle anderen Gase zusammen. Das erklrt die warmen Temperaturen in der unteren Troposphre, wo sich der gr秤te Teil des Wasserdampfs befindet. Durch den Wasserdampf in der Atmosphre kommt es somit allein und zusammen mit den anderen atmosphrischen Gasen zu einer positiven Rckkopplung beim Treibhauseffekt. Fhren andere Treibhausgase zu einer Erwrmung, fhrt das einerseits zu strkerer Verdunstung von Wasser. Der Treibhauseffekt wird so durch entstehenden Wasserdampf verstrkt. Mehr Wasserdampf in der Luft bedeutet andererseits aber auch eine strkere Entwicklung von Wolken in der Troposphre. Auch Wolken beeinflussen das Klima, indem auf der einen Seite die Einstrahlung der Sonne dadurch verringern, da ein Teil des Sonnenlichts durch Reflexion direkt in den Weltraum zurckgestrahlt wird, zum anderen aber auch langwellige Wrmestrahlung zurckhalten. Diesen zweiten Effekt kennt ebenfalls jeder. Nchte mit strkerer Bewlkung sind allgemein wrmer als klare und wolkenfreie Nchte, in denen die Ausstrahlung ungehindert ins Weltall geht. Dabei berwiegt die abschwchende Wirkung auf die Erderwrmung, denn der reflektierte Teil des einstrahlenden Sonnenlichtes erreicht erst gar nicht mehr die Erdoberflche und diese heizt sich folglich weniger stark auf. Sie Summenwirkung der Wolken (als Summe aus Absorption der Erdstrahlung und Reflexion der Sonnenstrahlung) ist somit negativ. Die Wolken wirken insgesamt khlend. Ob Wolken letztlich zur Erwrmung oder aber zur Abkhlung fhren, hngt wesentlich von ihrer Hhe und von ihrer Form ab - tiefe, wasserreiche Wolken khlen, hohe Eiswolken wrmen. Die in den Wolken transportierte Feuchtigkeit bestimmt natrlich auch und vor allem die Niederschlagsmenge, ein weiterer wichtiger Klimafaktor.

Eines der Hauptprobleme der Klimaforscher ist heute aber vor allem, da die Wolkenbildung in Klimamodellen noch nicht realistisch berechnet werden kann. Das macht eine exakte Bewertung des Einflusses des Wasserdampfes auf die Erderwrmung und damit derartige Modellrechnungen derzeit wenigstens sehr unsicher, wenn nicht unmglich. Auf diesem Gebiet besteht also noch ein groer Forschungsbedarf.

 

Home zurck  Seitenanfang weiter

HomeFlugsportJuraFeinstaubber michImpressumDatenschutzSitemap