Wasser in der Atmosphäre

Wasser in der Atmosphäre

• Wasserdampfanteil in Atmosphäre 1-5 % (bei Kondensation sichtbar)

• 50 % davon in untersten 3.000 Metern (ca. 700 hPa) konzentriert

• Wasserdampf bestimmt Wolken- und Niederschlagsbildung

• gesamter Wasserdampf der Atmosphäre ausregnen = Wasserschicht von 25 mm = 2,5 cm Höhe weltweit

• Verweildauer: alle 9,4 Tage Umwälzung des atmosphärischen Wassers

• pro Jahr regnet es im globalen Mittel 1.067 mm

• Wasserdampf sehr wichtig für Energiehaushalt: Speicherung, Abgabe und Transport von Energie

• je höher Wassergehalt der Luft, desto größer werden die Tröpfchen,

• sehr kleine Tröpfchen entstehen schon in ungesättigter Luft (bei 70-80 % relativer Luftfeuchte). Die Luft wird mit zunehmender Feuchtigkeit diesig (kleine Tröpfchen streuen das Licht)

• je reiner Luft ist, desto geringer die Kondensation (weniger Tröpfchenbildung), da weniger Kondensationskerne vorhanden

• Wolkenluft enthält ca. 40-100 Tropfen/cm3 (max. 800),

• häufigste Durchmesser liegen bei ca. 10 m

• alle Wolken bestehen aus einem kleintropfigem Grundspektrum.

• Anteile größerer Tropfen machen Unterschied bei Wolkenarten und Klimaregionen aus

Tropen:

• größere Wolkentropfen

• ca. doppelter Wassergehalt (im Vergleich zu Außertropen)

Wolken:

• Ansammlung von sichtbaren, in der Luft schwebenden Wasser- und/oder Eisteilchen

• Wasser kommt in der Atmosphäre in allen 3 Aggregat- zuständen vor

• Übergänge zwischen den Aggregatzuständen sind von großer klimageographischer Relevanz

Wo bleibt aber die Energie? -> Verdunstungsenergie

1. pro g verdampften Wasser wird verdunsteten Oberfläche Energie entzogen = Energie, die im Wasserdampf gebunden ist = latente Wärme = verborgene Energie

2. Wasserdampf wird mit latenter Wärme weitertransportiert (große Luftströmungen, Meeresströmungen und irgendwann latente Wärme wieder freigesetzt

3. Regen (Phasenübergang gasförmig zu flüssig)

latente Energie im Alltag: Kühlung durch Schwitzen

Weitere Eigenschaften von Wasser in der Atmosphäre:

• Gefrierprozesse bei 0° C, Wasser gefriert zu Eis

• hoch gereinigtes Wasser gefriert erst bei -30° C

• Wasser bei < 0° C immer noch flüssig = unterkühltes Wasser -> Oft bei hohen Wolken, bis -10° C möglich (Beobachtungen aus dem Flugzeug: sehr hoch, dennoch Wolken und nicht Eis, Wasser läuft/rinnt über Tragflächen)

• Blitzeis, Eisregen durch unterkühltes Wasser !! supercooled water

• schlagartiges Auskristallisieren des unterkühlten Wassers, wenn erstes Kristall gebildet wurde

• Grund: zum Gefrieren sind auch Kerne notwendig, um die sich die Eiskristalle aufbauen. Kristallisationskerne (winzige Staubteilchen, Minerale)

• daher Eisblumen an Kratzern und Unebenheiten inkl. Staubteilchen am Glas besonders gut, bei alten Fensterscheiben viel häufiger

Gehalt an gasförmigem Wasser = Wasserdampfgehalt

• absolute Luftfeuchte ... gibt an wie viel Wasserdampf tatsächlich in der Luft enthalten ist. Einheit: g/m³

• maximale Luftfeuchte ... gibt an wie viel Wasserdampf höchstens in der Luft enthalten sein kann. Das ist von der Temperatur abhängig. Einheit: g/m³

• relative Luftfeuchte ... ist der Quotient aus absoluter und maximal möglicher Luftfeuchtigkeit, multipliziert mit 100

maximale Luftfeuchtigkeit bei verschiedenen Temperaturen:

• je höher die Temperatur, umso höher ist die maximal mögliche absolute Luftfeuchtigkeit

• Diagramm = Taupunktkurve. Taupunkt ist die Temperatur, bis zu der sich eine Luftmasse abkühlen muss, damit das enthaltene Wasser kondensiert. Wasser in der Atmosphäre

-> Warme Luft verdunstet mehr Wasser als kalte

-> Warme Meere verdunsten mehr als kalte

Trocken-adiabatischer Temperaturgradient:

• 1 K/100 m in trockener Luft  (ungesättigter Luft)

• Gilt für wasserdampfhaltige Luft, solange Sättigungsdampfdruck/ Taupunkt nicht erreicht sind

Feuchtadiabatischer Temperaturgradient:

• in feuchter Luft: Kondensation (Übergang Wasserdampf in flüssigen Zustand) -> Wärme freigesetzt

• Abkühlung reduziert, beträgt nur noch zwischen 0,4 - 0,7 K/100 m

• relative Luftfeuchte steigt (bei gleichbleibender abs. Feuchte), Kondensationsniveau 100% Luftfeuchte, teilweise Überführung in flüssige Phase; an Kondensationskernen

3 verschiedene Niederschläge:

1. Konvektion und Konvektionsniederschläge:

• vertikaler Luftaufstieg durch starke Erhitzung der Erde

• kurze Andauer, heftig, nur lokales Auftreten

• Konvektionsschauer mit typischen Tagesgang: kurz nach der Zeit der größten Einstrahlung, Erwärmung (Konvektion), am frühen Nachmittag

2. Orographische Niederschläge (Stau-, Steigungsregen):

• Aufstieg Luft -> Kondensation

• Relief: Gebirge als orographisches Hindernis, Staueffekt

• Voraussetzung = horizontal bewegte Luft (Advektion), Westküsten: „atlantische Luvseiten“

3. Zyklonale Niederschläge

• Zusammentreffen von unterschiedlichen Luftmassen

• Niederschläge im Grenzbereich zwischen warmer und kalter Luftmasse -> im Bereich einer Front