Wasserdampf

 

 

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Wasserdampf

Wasserdampf spielt in der Meteorologie eine entscheidende Rolle. Als Wasserdampf  wird der gasförmigen Aggregatzustand des Wassers bezeichnet. Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das unsichtbar ist wie Luft. Wasserdampf ist als geruchsloses Gas ein omnipräsenter Bestandteil der Troposphäre. Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre, die abhängig von der Temperatur eine Mächtigkeit von etwa 8 km an den Polen und bis zu rund 17 km am Äquator erreicht. In dieser Luftschicht spielen sich nahezu alle wetterrelevanten Vorgänge wie z.B. die Wolkenbildung und die Niederschlagsprozesse ab.

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

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

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 hängt von der Temperatur der Luft ab, d.h. 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).

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre hat wie die Lufttemperatur einen ausgesprochenen Tages- und Jahresgang. Er nimmt mit der Temperatur sowohl vom Äquator zu den Polen hin als auch vom Erdboden aus mit der Höhe ab. Wegen der temperaturabhängigen Phasenübergänge sowie der großräumigen Luftmassentransporte ist die Verteilung des Wasserdampfs starken zeitlichen und örtlichen Schwankungen unterworfen.

Wasserdampfgehalt der Atmosphäre

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.

Steigt die Lufttemperatur bei gleich bleibendem Wasserdampfgehalt, so bleibt die absolute Feuchtigkeit gleich, während sich die relative Feuchte erniedrigt. 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 hat z.B. dieselbe bei 10 °C völlig gesättigte Luft bei 20 °C 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 eine starke Dämpfung der Sonneneinstrahlung auf die Erde hervorgerufen. 

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.  

Dampfdruck und Luftdruck

 

Dampfdruck und Luftdruck

Die Temperatur in der Atmosphäre nimmt, wie im Kapitel Temperaturgradient gezeigt wird, mit zunehmender Hohe ab. Somit muß auch der Sättigungsdampfdruck des in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampfes abnehmen. Da es in der Atmosphäre keine nennenswerte Übersättigung gibt, müssen also der Dampfdruck und die absolute Feuchtigkeit mit der Höhe ebenfalls abnehmen. Die Luft enthält daher mit zunehmender Höhe immer weniger Wasser. Das heißt aber nicht, daß 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 Höheninversionen kann z.B. häufig beobachtet werden, daß die relative Feuchtigkeit unter der Inversion deutlich höher als darüber ist. So kommen oft ausgedehnte Wolkenfelder unmittelbar unter der Inversion vor.

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

 

Wasserdampf und Luftdichte

Gemäß dem idealen Gasgesetz enthält ein Kubikmeter Luft eine bestimmte Anzahl von Molekülen und jedes Molekül hat ein bestimmtes Gewicht. Die Luft besteht zum größten Teil aus Stickstoffmolekülen (N2) und zu einem geringeren Anteil aus Sauerstoffmolekülen (O2) sowie aus anderen Molekülen, wie insbesondere Wasserdampf. Da die Luftdichte das durch das Volumen geteilte Gewicht der Luftmolküle ist, müssen wir das Gewicht von jedem der Moleküle in der Luft beachten. Stickstoff hat ein Atomgewicht von 14, ein N2-Molekül hat also ein Gewicht von 28. Für Sauerstoff ist das Atomgewicht 16, so daß ein O2-Molekül ein Gewicht von 32 aufweist. Nun zum Wassermolekül, H2O, das, wie die Formel zeigt, aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom besteht. Wasserstoff (H) hat ein Atomgewicht von 1, so daß das H2O-Molekül ein Gewicht von nur 18 hat.

Festzuhalten ist damit, daß ein Wassermolekül ein deutlich geringeres Gewicht hat als ein Stickstoff-Molekül oder ein Sauerstoff-Molekül. Gleichzeitig enthält ein gegebenes Luftvolumen nur eine bestimmte Anzahl von Molekülen. Sind anstelle trockener Luft nun aber leichtere Wassermoleküle darin enthalten, wird es weniger wiegen als dasselbe Volumen ohne Wassermoleküle. 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 erklärt sich eigentlich von selbst. Wasserdampf entsteht in der Atmosphäre durch Verdunstung von Wasser aus Pflanzen, dem Boden oder von offenen Wasserflächen. Wäre feuchte Luft schwerer als gleich warme trockene Luft, müßte sie am Boden liegen bleiben. Dann wäre die Sättigung, der Zustand, in dem die Luft kein weiteres Wasser mehr aufnehmen kann, sehr schnell erreicht und die Verdunstung wäre 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 daß die Gaskonstante „R“ in der  Formel zum idealen Gasgesetz einen höheren Wert annimmt. Zu beachten ist, daß der Wert der Gaskonstanten nur für trockene Luft gilt, also ohne Berücksichtigung des in der freien Atmosphäre stets enthaltenen Wasserdampfes. Dies entspricht der Vorgabe der Standardatmosphäre, für die bekanntlich eine relative Luftfeuchte von 0 % gilt. Die dargestellte Gasgleichung stellt somit verschiedenen Bestandteile der sog. atmosphärischen Zustandsgrößen – hier: Luftdruck, Lufttemperatur und Luftdichte – in einen Zusammenhang; sind zwei dieser Größen bekannt, lässt sich die dritte berechnen. Die Luftdichte trockener Luft ist somit nur abhängig vom Luftdruck und der Lufttemperatur. Die Gaskonstante für trockene Luft beträgt übrigens 287 J/(kg K).

Feuchte Luft ist also weniger dicht.

Beispiel:
Aus der Auftriebsformel ist bekannt, daß der Auftrieb eines Flügels zur Luftdichte direkt proportional ist. Wenn ein bestimmter Flügel auf Meereshöhe und bei Standardbedingungen, wo die Dichte 1.225 kg/m3 beträgt, beispielsweise 1.500 kg heben kann, wie viel kann der Flügel dann an einem warmen Sommertag in Kempten heben, wenn die Lufttemperatur 35 °C, der Luftdruck 828 hPa und der Taupunkt 19,4 °C beträgt?
Die Antwort ist ungefähr 1.134 kg.

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

Luftfeuchte beeinträchtigt aber nicht nur das aeroynamische Verhalten des Luftfahrzeugs, sie vermindert auch dessen Motorleistung. Allerdings ist insoweit der Einfluß der Luftfeuchte gegenüber anderen Veränderungen der Luftdichte nur von untergeordneter Bedeutung und kann daher in der Praxis weitgehend vernachlässigt werden.

Wasserdampf und Technik

Bei normalem atmosphärischem Druck kocht und verdampft Wasser bei 100 °C. Wasserdampf bildet sich aber gemäß dem Dampfdruck des Wassers auch schon bei niedrigeren Temperaturen. Der Übergang von Wasser zu Wasserdampf  hat bei jeder Temperatur einen zugeordneten Druck: Bei 100 °C  ist das 1 bar, bei 200 °C sind das 15,5 bar bei 300 °C aber schon 85,9 bar. Dieses Temperatur-Druck-Verhältnis besteht weiter bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 220 bar. Wegen der bei der Verdampfung mitgerissenen Wassertröpfchen wird dieser Dampf "Nassdampf" genannt. Oberhalb dieser kritischen Temperatur ist kein flüssiges Wasser mehr möglich. In diesem Temperaturbereich ist der Wasserdampf gasförmig und wird "überkritisch" genannt. Unterhalb dieses Punktes ist der Wasserdampf "unterkritisch". Wird er nun über seine Verdampfungstemperatur weiter erwärmt, entsteht überhitzter Dampf oder Heißdampf. Diese Form des Dampfes beinhaltet keinerlei Wassertröpfchen mehr und ähnelt in seinem physikalischen und technischen Verhalten eher einem Gas. Heißdampf ist unsichtbar, bei Kontakt mit der Umgebungsluft kondensiert er aber unmittelbar zu Nassdampf in Form von feinen Wassertröpfchen und wird damit sichtbar.

Wasser dehnt sich ab 100 °C als Dampf auf das 1.700-fache Volumen seines flüssigen Zustands aus. Bei weiterem Überhitzen des Dampfes auf 250 °C steigt das Volumen sogar auf das 2.450-fache, wobei der ursprüngliche 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 Wärme gebraucht werden, z.B. zur Reinigung oder Sterilisierung,
  • in der Küche 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 beeinflußt entscheidend unser Klima und ist die Grundlage nahezu aller Wettererscheinungen, vor allem wegen seiner hohe Mobilität und Wärmekapazität. Im Zusammenhang mit der Diskussion um die Klimaerwärmung und den sog. Treibhaus-Effekt ist zu bemerken, daß Wasserdampf das bei weitem wichtigste Treibhausgas ist! Der Treibhauseffekt ist nämlich in keiner Weise nur vom Menschen erzeugt. Es handelt es sich vielmehr bei genauerer Betrachtung um eine ganz natürliche Fähigkeit der Atmosphäre. Die aufgenommene Energie wird von der Erde wie von jedem warmen Körper auch wieder in Form von Wärmestrahlung abgegeben. Von der Atmosphäre wird nun diese von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme auf ihrem Weg zurück ins Weltall für einige Zeit zurückgehalten und gespeichert. Sie umgibt uns dadurch mit einer wärmeren bodennahen Lufthülle von im weltweiten Mittel +15 °C. Ohne diesen Effekt würde der Temperaturdurchschnitt in der unteren Atmosphäre bei -18 °C liegen und es wäre auf der gesamten Erde bitter kalt. Auf diese Weise umgibt die Atmosphäre die Erde wie ein natürlicher Pullover, der die von ihr abgestrahlte Wärme zurückhält.

Wasserdampfanteil am Treibhaus-Effekt

Kohlendioxid

Methan

Stickoxid

Wasserdampf

Der Wasserdampf bildet zusammen mit anderen Gasen den Treibhauseffekt, der die langwellige Strahlung an die Erdoberfläche zurückemittiert und damit nicht in den Weltraum abgibt. Sinkt der Wasserdampfgehalt, steigt die Ausstrahlung und damit die Abkühlung in der Nacht. Diesen Effekt kennt jeder von höheren Lagen, wo der Wasserdampfgehalt der Luft geringer und deshalb die abendliche Abkühlung stärker ist. Dieser Effekt tritt insbesondere auch in der Wüste auf. Die Nächte können dort deswegen durchaus bitter kalt werden. Allein der in der Atmospäre befindliche Wasserdampf absorbiert also ein Vielfaches dieser Erdstrahlung als alle anderen Gase zusammen. Das erklärt die warmen Temperaturen in der unteren Troposphäre, wo sich der größte Teil des Wasserdampfs befindet. Durch den Wasserdampf in der Atmosphäre kommt es somit allein und zusammen mit den anderen atmosphärischen Gasen zu einer positiven Rückkopplung beim Treibhauseffekt. Führen andere Treibhausgase zu einer Erwärmung, führt das einerseits zu stärkerer Verdunstung von Wasser. Der Treibhauseffekt wird so durch entstehenden Wasserdampf verstärkt. Mehr Wasserdampf in der Luft bedeutet andererseits aber auch eine stärkere Entwicklung von Wolken in der Troposphäre. Auch Wolken beeinflussen das Klima, indem auf der einen Seite die Einstrahlung der Sonne dadurch verringern, daß ein Teil des Sonnenlichts durch Reflexion direkt in den Weltraum zurückgestrahlt wird, zum anderen aber auch langwellige Wärmestrahlung zurückhalten. Diesen zweiten Effekt kennt ebenfalls jeder. Nächte mit stärkerer Bewölkung sind allgemein wärmer als klare und wolkenfreie Nächte, in denen die Ausstrahlung ungehindert ins Weltall geht. Dabei überwiegt die abschwächende Wirkung auf die Erderwärmung, denn der reflektierte Teil des einstrahlenden Sonnenlichtes erreicht erst gar nicht mehr die Erdoberfläche 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 kühlend. Ob Wolken letztlich zur Erwärmung oder aber zur Abkühlung führen, hängt wesentlich von ihrer Höhe und von ihrer Form ab - tiefe, wasserreiche Wolken kühlen, hohe Eiswolken wärmen. Die in den Wolken transportierte Feuchtigkeit bestimmt natürlich auch und vor allem die Niederschlagsmenge, ein weiterer wichtiger Klimafaktor.

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

 

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