Meteo 213

1. Meteo 213 Unterkühltes Wasser Wasser kann bei Abkühlung unter 0°C aber nur dann gefrieren, wenn es Kristallisationskeime gibt. Das können Eiskristalle sein, Verunreinigungen, aber auch Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche. In unserer alltäglichen Umgebung gibt es meist genug davon, sodass das Gefrieren (von unbewegtem Wasser) tatsächlich sehr nahe bei 0°C einsetzt. Unter Laborbedingungen (Kühlschrank?) kann man reines Wasser weit unter 0°C abkühlen, ohne dass Gefrieren einsetzt. Unterkühltes Wasser ist meta-stabil und gefriert „schlagartig“, wenn man dann doch Kristallisationskeime beifügt. Die Atmosphäre ist so rein (nicht unbedingt in Graz im Winter), dass Wassertröpfchen in Wolken sogar sehr häufig aus unterkühltem Wasser bestehen. Die gefrieren dann z.B. an Flugzeug-Tragflächen. In der Atmosphäre beobachtet man unterkühltes Wasser bis zum Schaefer-Punkt (V.J. nicht B.J.) bei ca. –42°C. Schaefers „Labor“ waren Geysire (Bild: UF).

2. Meteo 214 Sättigungsdampfdruck über Eis Für die Vorgänge in Wolken braucht man also tatsächlich den Sättigungsdampf-druck über (unterkühltem) Wasser bis etwa –40°C. Daneben benötigen wir unter 0°C aber natürlich auch den Sättigungsdampf-druck über Eis (Bild: UF). Er ist geringer als der über Wasser, da es mehr Energie „kostet“, die Wassermoleküle aus dem festen Eis herauszulösen. Strukturell ändert sich nichts zu Folie 211 statt der Verdampfungsenthalpie müssen wir jetzt aber die Sublimationsenthalpie verwenden. Dabei gilt: Sublimationsenthalpie = Verdampfungsenthalpie + Schmelzwärme Für Wasser bei 0°C: 2834 kJ/kg = 2500 kJ/kg + 334 kJ/kg

3. Unter Berücksichtigung der Temperatur-Abhängigkeit von lSw ergeben sich für den Sättigungsdampfdruck über Eis (Bild: UF) die Werte (im Vergleich zu denen über Wasser): T [°C] -40 -30 -20 -10 0 eSi [hPa] 0.13 0.38 1.03 2.60 6.11 eS [hPa] 0.18 0.51 1.25 2.85 6.11 Die Differenz ist bei –12°C am größten. Meteo 215 Sättigungsdampfdruck über Eis Damit wird der Sättigungsdampfdruck über Eis in der integrierten Form (näherungsweise): Luft kann damit gleichzeitig bezüglich Eis übersättig, aber bzgl. Wasser untersättigt sein. In einer Mischwolke wachsen daher häufig Eiskristalle auf Kosten von Wassertröpfchen.

4. Meteo 216 Phasendiagramm Die Dampfdruckurve(n) ist ein (wesentlicher) Teil des Phasendiagramms von Wasser (Bildquelle: U. Langematz, UniBerlin). Auf den Kurven herrscht Gleichgewicht zwischen den beiden benachbarten Phasen. In einem Punkt, dem Tripelpunkt, sogar zw. allen drei Phasen. Das mit den 0.01°C ist wieder so eine Sache. Außerdem gibt es bei Wasser eine Menge von unterschiedlichen festen Phasen.

5. Meteo 217 Sättigungsdampfdruck Für das Gleichgewicht zwischen Wasserdampf und Wolkentröpfchen ist die Annahme einer ebenen Wasser-Oberfläche suboptimal. Bei einer gekrümmten Oberfläche (Bild: Markus Quante, nach Seinfeld & Pandis) wird ein Wassermolekül von etwas weniger Nachbarn zurückge-halten, als bei einer ebenen Oberfläche, es kann also leichter „entkommen“. Über einer gekrümmten Oberfläche ist daher der Sättigungsdampfdruckhöher als über einer Ebene. Der Effekt ist umso stärker ausgeprägt, je kleiner der Wassertropfen ist. Der Zusammenhang wird durch die Kelvinsche Formel ausgedrückt. In genäherter Form gilt (r = Krümmungsradius, K(T) = 3.25·10-7·T-1 [m]): Daher wachsen große Tropfen auf Kosten von kleinen.

6. Meteo 218 Relative Feuchte Die Relative Feuchte ist das Verhältnis zwischen dem aktuellen Dampfdruck und dem Sättigungsdampfdruck bei der gerade herrschenden Luft-temperatur, angegeben in [%]. Bei uns liegt die Relative Feuchte nur selten unter 40 % und praktisch nie unter 20 % – beim Tagesmittel gerade einmal – am 27.04.1909 (in Boulder, CO, sind auch 4 % nicht unüblich). Sehr reine Luft, in der Kondensationskeime fehlen, kann auch deutlich übersättigt sein, unter Laborbedingungen bis rF ~ 800 %

7. Meteo 219 Kondensation (grob) Wenn 1 m3 Luft mit 20°C genau 18 g Wasserdampf enthält, dann ist die Luft gesättigt, die relative Feuchte beträgt 100 %. Wenn man diese Luft nun abkühlt, dann wird sie übersättigt, der Wasserdampf beginnt zu kondensieren und es bilden sich flüssige Wassertröpfchen (oder Eiskristalle, wenn es kalt genug ist). Solange diese Tröpfchen noch klein sind, können sie in der aufsteigenden Luft schweben, es entstehen Wolken. Wenn die Wolkentröpfchen größer werden, fallen sie als Regen aus der Wolke aus. Wasserdampf sieht man nicht, sobald man etwas sieht, ist es kein Wasserdampf mehr, sondern schon flüssiges Wasser (Dunst, Nebel, Wolken). Bildquelle: USAF Bildquelle: MPI Mainz

8. Meteo 220 Mischungsnebel Kondensstreifen (unten in eher un-gewöhnlicher Form – Chromosomen am Himmel?, Bild: UF), Mischungsnebel, und „dampfender Atem“ verdanken ihre Existenz der Form der Dampfdruck-Kurve (Bild: Felix Ament, Uni-Bonn). Mischt man kalte ungesättigte Luft mit warmer ungesättigter Luft, so kann es passieren, dass die Mischung übersättigt ist.

9. Meteo 221 Taupunkt Und wieder eine Temperatur als Maß für die Luftfeuchtigkeit. Der Taupunkt ist die Temperatur, bis zu der man Luft (isobar) abkühlen muss, damit sie gesättigt ist. Je geringer die Luftfeuchtigkeit, desto stärker ist die nötige Abkühlung, um den Taupunkt zu erreichen (Taupunktdifferenz, „dew point depression“). In unseren Breiten kühlt sich die Luft sehr oft bis zum Taupunkt ab, aber nicht wesentlich weiter, da dann ja bei der Kondensation wieder Wärme freigesetzt wird (Bild: UF). Ganz Analog zum Taupunkt gibt es den Frostpunkt bzw. Reifpunkt. Am Frost-punkt ist der Sättigungsdampfdruck über Eis gleich dem aktuellen Dampfdruck.

10. Meteo 222 Messung der Feuchte Menschliche Haare dehnen sich bei Wasser-Aufnahme aus. Die Länge ist dabei abhängig von der relativen Feuchte. Dieses Prinzip wird beim Hygro-meter und Hygrographen benutzt (Quelle: W&K). Bei 100% RF sind Haare um 2.5 % länger als bei 0% RF. Besonders gut eignen sich (wirklich) blonde Frauenhaare. Beim Taupunktshygrometer wird ein Spiegel soweit abgekühlt, bis sich die Luftfeuchtigkeit auf ihm niederschlägt.

11. Meteo 223 Feuchte-Verteilung Breitenabhängigkeit – Absolute und Relative Feuchte (schematisch) (W&K)