Luftfeuchtigkeit

Luftfeuchtigkeit ist ein einfacher Begriff, in vielen Belangen aber schwierig zu verstehen. Wiegt feuchte Luft weniger als trockene? Einige Fragen bezüglich Feuchtigkeit sollen hier beantwortet werden.

Anabel Britta und Martin Gassner

Trockene Luft ist ein wichtiges Merkmal für einen guten Flugtag. Die Basis ist dann hoch, und die Cumuli bleiben klein. Je mehr Feuchtigkeit die Luft enthält, umso tiefer liegt die Basis und umso mächtiger wachsen die entstehenden Cumulus-Wolken in den Himmel. Überentwicklungen oder gar Gewitter können sich bilden. Der Feuchtegehalt der Luft ist eine zentrale Grösse im Wettergeschehen!

Definition der Feuchtigkeit
Das Lexikon der Meteo Schweiz (www.meteoschweiz.ch/web/de/lexikon) erklärt die Feuchtigkeit als den Gehalt der Luft an Wasserdampf. Sie wird als absolute oder als spezifische Feuchtigkeit angegeben, auch als Mischungsverhältnis, als Dampfdruck, als relative Feuchtigkeit oder als Taupunkt. Physikalisch gesehen bilden die absolute Feuchtigkeit mit Gramm pro Kubikmeter Luft (g/m3) als Einheit, die spezifische Feuchtigkeit und das Mischungsverhältnis mit Gramm Wasserdampf pro Kilogramm feuchter resp. trockener Luft (g/kg) einfache Masse und sind leicht zu verstehen. Für den Alltagsgebrauch hingegen sind sie unverständlich. Was bedeutet zum Beispiel ein spezifischer Wasserdampfgehalt von 10 g/kg Luft?

Relative Luftfeuchtigkeit
Ist das viel, oder ist das wenig? Die relative Luftfeuchtigkeit hilft da weiter, denn sie gibt das Verhältnis zwischen tatsächlichem und maximal möglichem Feuchtegehalt an. In Abbildung 1 ist der Verlauf der spezifischen Feuchte bei Sättigung mit der Temperatur aufgezeichnet. Der Verlauf zeigt, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte. Je höher die Temperatur steigt, umso grösser wird auch die Zunahme. Bei einer Temperatur von 13,5 °C kann die Luft bei 1000 hPa Luftdruck maximal 10 g Wasserdampf pro Kilogramm feuchter Luft aufnehmen; sie ist zu 100% gesättigt. Ist die Luft 20 °C warm, könnte sie 15,3 g aufnehmen, sie ist also zu 65% gesättigt. Bei 30 °C könnte die Luft 28,9 g aufnehmen, und die relative Luftfeuchtigkeit wäre also nur noch 35% und damit sehr trocken.

Schwüle Luft
«Unerträglich, diese Schwüle!», klagen an heissen Sommertagen viele Leute. Aber was bedeutet «schwül» eigentlich? Wieder gibt das Lexikon der Meteo Schweiz Antwort: «Durch besondere Luftfeuchtigkeits- und Temperaturverhältnisse gekennzeichnete klimatische Situation, die das menschliche Wohlbefinden beeinträchtigt; z.B. 80% und 20 °C, 65% und 25 °C, 45% und 30 °C. ...» In trockener Luft verdunstet Wasser schneller als in feuchter. Damit ist auch der kühlende Effekt grösser, wenn Schweiss verdunstet. Bei hoher Luftfeuchtigkeit hingegen verdunstet der Schweiss nur langsam, und die kühlende Wirkung ist entsprechend gering. Gleichzeitig wärmt die heisse Umgebungsluft den Körper auf, der mit einer verstärkten Schweissproduktion reagiert. In schwüler Luft perlt dann der Schweiss unangenehm auf der Stirn.

Abbildung 1: Verlauf der spezifischen Feuchte bei Sättigung.
Abbildung 2: Verlauf des Sättigungsdampfdruckes mit der Temperatur. .

Gewicht der Luft
Zurück zur Spezifischen Feuchte. Ihre Einheit ruft sofort die Frage auf, welches Volumen ein Kilogramm Luft einnimmt, oder umgekehrt, wie viel 1 m³ Luft wiegt. Trockene Luft besteht zu 78,09% aus Stickstoff, zu 20,95% aus Sauerstoff, zu 0,03% aus Kohlendioxid und zu 0,93% aus Edelgasen. Aufgrund von physikalischen Gesetzmässigkeiten lassen sich Volumen und Gewicht jedes dieser Bestandteile berechnen. Aus ihren Summen folgt dann das spezifische Gewicht von trockener Luft. Bei 20 °C Lufttemperatur und bei einem Luftdruck von 1000 hPa wiegt 1 m3 trockene Luft 1,188 kg. Als Faustregel gilt somit, dass 1 m³ Luft etwa 1 kg wiegt. Aus der Erfahrung ist bekannt, dass warme Luft leichter ist. Unter gleichen Bedingungen wiegt 1 m³ Luft mit einer Temperatur von 21 °C noch 1,184 kg, bei 25 °C noch 1,168 kg. Bei einer Erwärmung um 1 °C nimmt das Gewicht um 4 g, bei 5 °C um 20 g ab. Eigentlich erstaunlich, dass so kleine Differenzen kräftige Aufwinde produzieren können!
Welchen Einfluss hat der Feuchtegehalt auf das Gewicht der Luft? Enthielte Luft mit einer Temperatur von 20 °C bei 1000 hPa Luftdruck 10 g/kg Wasserdampf, würde 1 m³ 1,181 kg wiegen, also um 7 g weniger als trockene Luft. Wären 11 g/kg Wasserdampf enthalten, würde 1 m³ 1,180 kg wiegen, und die Luft wäre nochmals um 1 g leichter. Es gibt Behauptungen, dass über einer frisch gemähten Wiese Aufwind zu erwarten sei. Vielleicht ist das geringere Gewicht der angefeuchteten Luft ein Teil einer Erklärung. Zu bedenken ist, dass die Verdunstung des Wassers mehr Energie benötigt, als wenn die Luft direkt erwärmt würde.

Dampfdruck
Wie schon erwähnt, besteht die Luft aus verschiedenen Gasen. Der Luftdruck lässt sich entsprechend dem Anteil der einzelnen Gase in Partialdrücke aufteilen. So beträgt bei 1000 hPa Luftdruck der Partialdruck von Sauerstoff in trockener Luft 209,5 hPa. In feuchter Luft trägt auch der Wasserdampf einen Teil zum Luftdruck bei. Jedes dieser Gase kann für sich betrachtet werden, da sie sich in ihren physikalischen Eigenschaften nicht beeinflussen.
Im Gegensatz zu den anderen Gasen kommt Wasser in der Atmosphäre in flüssigem, festem und auch in gasförmigem Zustand vor. Zwischen den einzelnen Zuständen wechseln dauernd Wassermoleküle hin und her, vom flüssigen Wasser zum Wasserdampf und umgekehrt oder bei tiefen Temperaturen auch vom Eis zum Wasserdampf und wieder zurück. Ist der Druck im Wasserdampf zu tief, verlassen mehr Wassermoleküle den flüssigen Zustand als vom gasförmigen zurückkehren, das heisst Wasser verdunstet. Ist der Druck zu hoch, wechseln mehr Moleküle vom gasförmigen zum flüssigen Zustand, kurz, Wasserdampf kondensiert. Wenn gleich viele Moleküle hin und her gehen, sind Dampf und Flüssigkeit im Gleichgewicht. Der Druck im Wasserdampf wird dann als Sättigungsdampfdruck bezeichnet oder kürzer als Dampfdruck.

Siedepunkt
Steigt die Temperatur an, so gewinnen die Wassermoleküle mehr Energie, um das flüssige Wasser zu verlassen. Das Gleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeit verschiebt sich in Richtung Dampf. Mit der Temperatur nimmt also auch der Sättigungsdampfdruck zu. Dies erklärt, warum warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Abbildung 2 zeigt den Verlauf des Sättigungsdampfdruckes mit der Temperatur, die auch Dampfdruckkurve genannt wird.
Steigt die Temperatur so weit an, dass der Dampfdruck den gesamten Luftdruck übersteigt, beginnt das Wasser zu sieden. Dampf bildet sich nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Innern der Flüssigkeit in Form von Blasen. Wasser siedet nur bei 1013 hPa bei 100 °C. Auf etwa 1500 m Höhe, wo der Luftdruck auf 850 hPa gesunken ist, siedet das Wasser bereits bei 95 °C.

Taupunkt
Die Luft ist im Allgemeinen nicht mit Wasserdampf gesättigt. Kühlt die Temperatur so weit ab, dass der Sättigungsdampfdruck unterschritten wird, kondensiert das überschüssige Wasser zu Tau oder Nebel. Die Temperatur, bei welcher der Druck des Wasserdampfes dem Sättigungsdampfdruck entspricht, heisst daher Taupunkt. Sind Lufttemperatur und Taupunkt identisch, ist die relative Luftfeuchtigkeit 100%. Der Taupunkt kann nie höher als die Lufttemperatur liegen! Dies würde einer Übersättigung der Luft mit Feuchtigkeit entsprechen. Sinkt die Lufttemperatur weiter als der Taupunkt ab, kondensiert die Feuchtigkeit zu Wolkentröpfchen.

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