Feuchtigkeit

Bei hohen Temperaturen kann die Luft viel Wasserdampf aufnehmen, bei tiefen hingegen nur verschwindend wenig. Mit dem Wasserdampf nimmt die Luft auch Energie auf, die dort wieder frei wird, wo Regen, Hagel und Schnee entsteht. Aus dieser Energie holen die Stürme ihre Gewalt.

Pustend und feuerspeiend wie ein Untier zieht ein Gewitter heran. Jetzt gilt es, rasch sicheren Boden unter die Füsse zu bekommen, den Delta flach zu legen und den Gleitschirm einzupacken, bevor die Böen alles durcheinanderwirbeln und der Regen den Boden durchtränkt. Hoffentlich schlagen die Hagelkörner keine Löcher in den Delta! Ein mittelgrosses Gewitter setzt etwa gleich viel Energie frei wie das Kernkraftwerk Gösgen im Vollbetrieb in zwei Tagen produziert. Woher nur haben die Gewitter ihre gewaltige Energie? Die Antwort ist einfach: Aus der Luftfeuchtigkeit. Wasser in der Atmosphäre Die Konzentration des unsichtbaren Gases Wasserdampf variiert stark von Ort zu Ort und auch von Zeit zu Zeit. In warmen tropischen Gebieten kann es nahe über dem Erdboden bis zu 4% der atmosphärischen Gase ausmachen, während in kalten Polarregionen seine Konzentration zu der eines Spurengases schwindet. Tatsächlich hängt die maximale Menge von Wasserdampf, die die Luft aufnehmen kann, sehr stark von der Temperatur ab. Wie die Kurve in Abbildung 1 zeigt, kann die Luft bei 30 °C 29 Gramm Wasserdampf pro Kilogramm Luft aufnehmen. Sinkt die Temperatur auf 10 °C ab, kann sie maximal nur noch 8 Gramm und bei -10 °C gerade noch 1,6 Gramm aufnehmen.

Mischungsverhältnis, relative Feuchte, Taupunkt Die Anzahl Gramm Wasserdampf pro Kilogramm Luft bezeichnet die spezifische Feuchte. Die Einheit ist g/kg. Daneben gibt es noch weitere Grösseneinheiten, um die Feuchte zu bestimmen. Das Mischungsverhältnis gibt die Anzahl Gramm Wasserdampf pro Kilogramm trockener Luft an. Es unterscheidet sich nur wenig von der spezifischen Feuchte. Gebräuchlich ist die relative Feuchte. Sie beschreibt das Verhältnis der in der Luft enthaltenen Menge Feuchtigkeit zur maximal möglichen Menge. Enthält die Luft 4 g/kg Wasserdampf bei einer Temperatur von 10 °C, bei der sie maximal 8 g/kg aufnehmen könnte, dann beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 50%. Betrachtet man die Sättigungskurve der spezifischen Feuchte, so wird klar, dass die relative Feuchte stark von der Temperatur abhängt. Wird die Luft mit 4 g/kg auf 30 °C erwärmt, so sinkt die relative Feuchte auf 13,8%. Wird sie umgekehrt abgekühlt, so steigt die relative Feuchte an und erreicht bei 0,5°C 100%. Diese Temperatur, bei der der Wasserdampf zu kondensieren beginnt, wird auch als Feuchtigkeitsmass verwendet. Man bezeichnet diese Temperatur als Taupunkt.

Wie wird Feuchtigkeit gemessen? Das Gerät, mit dem die Feuchtigkeit gemessen wird, wird allgemein als Hygrometer bezeichnet, obwohl sehr unterschiedliche Prinzipien dahinter stehen. Zum Beispiel beruht das Absorptionshygrometer auf der Gewichtszunahme wasseranziehender (hygroskopischer) Stoffe. Das Menschenhaar wurde auch oft verwendet, da es bei unterschiedlicher Feuchte seine Länge stark ändert. In Zimmerhygrometern sind oft beschichtete Spiralfedern enthalten, die sich je nach Feuchte enger oder weiter aufwickeln. Auch Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit mit der Feuchtigkeit ändert, werden zum Beispiel in gewissen Ballonsonden verwendet. Eine besonders präzise Methode ist der Taupunktspiegel, der einen weiten Einsatzbereich besitzt. Er wurde in der Forschungsabteilung der SMA entwickelt und funktioniert wie folgt: Ein kleiner Spiegel wird soweit abgekühlt, bis er sich beschlägt. Seine Temperatur entspricht genau dem Taupunkt. Das automatische Messnetz der SMA ist mit solchen Taupunktspiegeln bestückt. Eine weitere präzise Methode ist der Psychrometer. Er basiert auf dem Umstand, dass bei trockener Luft Wasser rascher verdunstet als bei feuchter. Je kleiner der Unterschied zweier Thermometer ist, von denen der eine mit einer feinen, wassergetränkten Gaze befeuchtet wird, umso höher ist die Luftfeuchtigkeit.

Latente Wärme Die von der Gaze verdunstende Feuchtigkeit entzieht dem Thermometer Wärme. Diese Wärme verschwindet keineswegs, sondern gelangt als sogenannte latente Wärme in die Atmosphäre. Was hier in kleinem Stil vor sich geht, geschieht global in ungeheuer grossem Stil. Über dem Meer nimmt die Atmosphäre viel Feuchtigkeit und damit viel latente Wärme auf, die durch die Winde wegtransportiert wird. An anderer Stelle kondensiert diese Feuchtigkeit wieder und gibt auch die Wärmeenergie wieder frei. Etwa die Hälfte der Energie, die in der Luft vom Äquator gegen die Pole gelangt, wird in Form latenter Wärme transportiert. Auch über feuchtem Boden, nach einem Regentag oder über einem Sumpfgebiet, nimmt Luft viel latente Energie auf, was die Thermik verzögert, wenn nicht ganz unterdrückt. Besonders ausgeprägt ist das, wenn die Luft sehr trocken ist und viel Feuchtigkeit aufnehmen kann, vor allem bei hohen Temperaturen. Vielleicht ist das neben der geringeren Luftdichte mit ein Grund, weshalb in den Alpen in der Regel bessere Thermik als im Flachland zu erwarten ist. Steigt eine Warmluftblase auf, so kühlt sie sich mit 1 °C pro 100 m Höhe ab. Erreicht ihre Temperatur den Taupunkt, so beginnt die Feuchtigkeit zu kondensieren, und die latente Wärme, die die Luft gespeichert hatte, wird nach und nach wieder frei. Damit kühlt sich die Luft je nach Temperatur nur noch mit 0,5 °C bis 0,9°C pro 100 m Höhe ab. In der untenstehenden Tabelle sind einige Werte angegeben.

Gewitter Aus der latenten Energie, mit der an einem heissen, schwülen Tag die Luft geladen ist, beziehen die Gewitterstürme ihre Gewalt. Sie heben die Bodenluft bis auf 10 km Höhe hinauf, wo diese bis unter -50 °C abkühlt und deshalb praktisch ihr gesamter Wasserdampfgehalt zu Hagel und Regen kondensiert. Die Kurve in Abbildung 2 zeigt, um wieviel die Luft erwärmt würde, wenn die gesamte Feuchtigkeit kondensiert. Auf das Volumen eines Gewitters gerechnet ergibt das Energiemengen, für die ein Atomkraftwerk mehrere Tage produzieren muss.

Martin Gassner

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