Luftfeuchtigkeit

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Die Luftfeuchtigkeit, oder kurz Luftfeuchte, bezeichnet den Anteil des Wasserdampfs am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen. Flüssiges Wasser oder Eis wird der Luftfeuchtigkeit folglich nicht zugerechnet.

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Verdunstung und Kondensation 2.2 Sättigung 2.3 Übersättigung 2.4 Teilsättigung 3 Abhängigkeit der Sättigungsmenge von Umgebungseinflüssen 3.1 Grundlagen der Thermodynamik 3.2 Temperatur 3.3 Druck 3.4 Reinheit des Wassers 3.5 Oberflächenkrümmung des Wassers 4 Feuchtemaße 4.1 Absolute Luftfeuchtigkeit 4.2 Relative Luftfeuchtigkeit 4.3 Spezifische Luftfeuchtigkeit 4.4 Mischungsverhältnis 5 Bedeutung und Anwendungsbereiche 5.1 Alltag 5.2 Meteorologie, Klimatologie und Hydrologie 5.3 Trocknung 5.4 Biologie 5.5 Gesundheit 5.6 Land- und Forstwirtschaft 5.7 Lagerhaltung und Produktion 5.8 Außenwände von Gebäuden 5.9 Luft- und Raumfahrt 6 Quellen und Referenzen 6.1 Literatur 6.2 Weblinks

Allgemeines

Ein wasserfreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit Null bis Vier Volumenprozent vergleichsweise sehr stark schwankt. Beeinflusst wird die Luftfeuchtigkeit vor allem durch die Verfügbarkeit von Wasser, die Temperatur und den Grad der Durchmischung der Atmosphäre. Höhere Lufttemperaturen befähigen die Luft, mehr Wasserdampf aufzunehmen. Bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf in der Luft bezeichnet man die Luftfeuchtigkeit auch als Spurenfeuchte.

Physikalische Grundlagen

Verdunstung und Kondensation

An einer freien Wasseroberfläche, die flüssiges Wasser vom darüber liegenden Luftvolumen trennt, treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Prozentsatz von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden, die Wasseroberfläche zu verlassen und in das Luftvolumen überzugehen, also zu verdunsten. Die Verdunstungsrate hängt vom Prozentsatz derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt.

Umgekehrt treffen verdunstete Wassermoleküle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberfläche und können dort je nach ihrer kinetischen Energie mit gewisser Wahrscheinlichkeit vom Molekülverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist abhängig von der Dichte der Wassermoleküle in der Luft.

Sättigung

Betrachtet man einen Verdunstungsvorgang bei konstanter Temperatur und anfangs trockener Luft, so stellt sich die der Temperatur entsprechende Verdunstungsrate ein, während die Kondensationsrate mangels Wassermolekülen in der Luft zunächst gleich Null ist. Die Verdunstungsrate ist also größer als die Kondensationsrate und die Anzahl von Wassermolekülen in der Luft steigt an. Damit wächst auch die Kondensationsrate und die Nettoverdunstung (Verdunstungsrate minus Kondensationsrate) beginnt zu sinken. Die Dichte der Wassermoleküle in der Luft und damit die Kondensationsrate steigen so lange an, bis Kondensationsrate und Verdunstungsrate gleich sind, pro Zeiteinheit also ebenso viele Wassermoleküle vom Wasser in die Luft übertreten wie von der Luft ins Wasser. Dann ist der Gleichgewichtszustand erreicht, in dem die Nettoverdunstung null ist, obwohl ein ständiger Teilchenaustausch zwischen Luft und Wasser herrscht. Gleiches gilt für Sublimation und Resublimation über einer Eisoberfläche, jedoch mit einem anderen Gleichgewichtspunkt.

Die im Gleichgewichtszustand vorliegende Konzentration von Wassermolekülen in der Luft ist die Sättigungskonzentration. Bei höherer Temperatur wird sich auch eine höhere Sättigungskonzentration einstellen, damit die höhere (temperaturabhängige) Verdunstungsrate durch eine höhere Kondensationsrate wieder kompensiert wird.

Die Eigenschaften der Luft selbst spielen bei diesen Vorgängen praktisch keine Rolle. Die Sättigungskonzentration wird fast allein durch die Eigenschaften des Wasserdampfs bestimmt. Die umgangssprachlich gebräuchliche und wegen der Einfachheit auch in Fachkreisen weit verbreitete Ausdrucksweise, die Luft könne bei gegebener Temperatur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen, ist irreführend. Die Luft nimmt nicht etwa die Feuchtigkeit auf wie ein Schwamm es täte.

Übersättigung

Erhöht man durch eine Zufuhr von Wassermolekülen deren Konzentration über die Sättigungskonzentration hinaus, so steigt wegen der größeren Dichte an Wassermolekülen die Kondensationsrate vorübergehend über die Verdunstungsrate hinaus an und die Konzentration an Wassermolekülen sinkt anschließend wieder auf den Gleichgewichtswert. Es kommt zu einer Übersättigung.

Auch hier ist zu beachten, dass es sich nicht etwa um ein Unvermögen der Luft handelt, den überschüssigen Wasserdampf zu halten. Vielmehr nützt der Wasserdampf unter diesen Bedingungen eine sich darbietende Kondensationsfläche, um seine Konzentration auf die Sättigungskonzentration zu senken. Fehlen solche Kondensationsflächen, die Kondensationskerne, so kann die Luft dauerhaft erhebliche Mengen von Wasserdampf aufnehmen. Dies ist zum Beispiel in großen Volumina möglichst reiner Luft, also einer geringe Aerosolkonzentration, und bei großer Entfernung von etwaigen Umschließungsflächen der Fall (siehe Nebelkammer). Spontane Kondensation von Wasserdampf zu Wassertröpfchen findet ohne Kondensationskeime erst bei extremer Übersättigung (mehrere hundert Prozent relativer Feuchte) statt. In der Praxis ist jedoch fast immer eine ausreichend große Menge von Aerosolen in der Luft vorhanden, so dass es in der Atmosphäre kaum zu Übersättigungen von mehreren Prozentpunkten kommt.

Teilsättigung

Die Verdunstungsrate des Wassers kann bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Es dauert daher längere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Störung wieder eingestellt hat. Wurde durch die zum Beispiel nächtliche Abkühlung ein Teil des Feuchtegehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwärmung zunächst ungesättigt und kann den Sättigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsättigung ist für unsere Atmosphäre wegen der häufigen Temperaturschwankungen der Normalfall, wobei man in der Regel von ungesättigter Luft spricht. Es ist für zahlreiche Vorgänge von großer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sättigungszustand entfernt ist, weshalb verschiedene Feuchtemaße dazu dienen, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.

Abhängigkeit der Sättigungsmenge von Umgebungseinflüssen

Grundlagen der Thermodynamik

Alle Gasteilchen eines idealen Gases bewegen sich im Rahmen der kinetischen Gastheorie unabhängig voneinander und wechselwirken in diesem Modell ausschließlich durch elastische Stöße, bevorzugen dabei jedoch keine Raumrichtung. Die Beschreibung idealer Gase erfolgt durch die allgemeine Gasgleichung, die deren Verhalten bezüglich der Zustandsgrößen Druck, Volumen, Temperatur und Stoffmenge beschreibt. Das ideale Verhalten der Luft nimmt jedoch mit zunehmendem Wasserdampfgehalt ab. Die Luft und besonders der in ihr enthaltene Wasserdampf zeigen daher viele reale Effekte, welche unter anderem durch die van-der-Waals-Gleichung oder die Virialgleichungen näherungsweise beschrieben werden.

Unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen sind vom idealen Verhalten abweichende Wechselwirkungen der Gasteilchen, wie zum Beispiel Phasenübergänge, Elektrostatik und Hygroskopie zu berücksichtigen. Dabei kommt es insbesondere zu einer Wechselwirkung der gasförmigen Wassermoleküle mit den in der Luft schwebenden festen und flüssigen Bestandteilen, den Aerosolen. Um die Dynamik des Wasserdampfgehaltes in der Luft, also der Luftfeuchtigkeit, richtig verstehen zu können, ist es daher notwendig, sowohl die grundlegenden Prozesse innerhalb eines idealen Gases (Teilchencharakter), als auch die zusätzlichen Eigenschaften eines realen Gases (Wechselwirkungen der Teilchen über Stöße hinaus) richtig zu verstehen. Neben einem rein qualitativen Verständnis der verschiedenen Teilprozesse und somit der grundlegenden Dynamik, ist es jedoch auch notwendig, diese Effekte in ihrer Bedeutung und ihrer letztendlichen Auswirkung auf die Luftfeuchtigkeit quantitativ zu beschreiben. Hierfür existieren verschiedene thermodynamische Grundbeziehungen und empirische Näherungsformeln, welche im Laufe des Artikels neben einer rein qualitativen Beschreibung vorgestellt werden.

Temperatur

Bild:Feuchte Luft.png Bei Erhöhung der Temperatur nimmt der Anteil an Wassermolekülen zu, welche genügend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberfläche zu verlassen. Es stellt sich also eine höhere Verdunstungsrate ein, welche durch eine höhere Kondensationsrate kompensiert werden muß, was aber eine höhere Konzentration von Wassermolekülen in der Luft voraussetzt. Die Wasserdampfkapazität der Luft nimmt daher, wie in der Abbildung rechts dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der Wasserdampf hat für jede Temperatur bei gegebenem Druck eine eindeutig bestimmte Sättigungsmenge. Bei atmosphärischem Normaldruck von 0,10135 MPa kann ein Kubikmeter Luft bei zehn Grad Celsius insgesamt 9,41 Gramm Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 Grad Celsius jedoch bis zu 30,38 Gramm Wasser auf. Man bezeichnet diese Sättigungsmenge als maximale Feuchte, die im Artikel Sättigung tabelliert ist. Hierbei sind auch Mollier-Diagramme nach Richard Mollier (1923) zur Darstellung der Luftfeuchtigkeit weit verbreitet.

Druck

Die Wasserdampfkapazität der Luft ist, wie oben dargelegt, abhängig von der Temperatur, nicht jedoch gleichzeitig auch vom Druck. Dies liegt darin begründet, dass mit Wasserdampf gesättigte Luft kein ideales Gas darstellt und eine Druckerhöhung in der Kondensation einer entsprechenden Wassermenge resultiert, nicht jedoch in einer Änderung der Wasserdampfkapazität selbst. In allgemeiner Form gilt dies auch für die Phasenübergänge anderer Gase, tritt jedoch aufgrund der für atmosphärische Temperaturen/Drücke eher untypischen Kondensations- und Siedepunkte seltener auf. Eine geringe Abweichung zeigt die Luftfeuchte aber dennoch, weshalb man einen Korrekturfaktor (engl.: enhancement factor) nutzt, um genauere Werte zu erhalten. Dieser Korrekturfaktor wird durch molekulare Wechselwirkungen hervorgerufen, welche den Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes erhöhen. Er ist dabei abhängig von Temperatur und Druck, wobei er sich bei atmosphärischen Bedingungen im Bereich von 0,5 % bewegt und daher meist vernachlässigt wird (näheres im Artikel Sättigungsdampfdruck).

Reinheit des Wassers

Sind im Wasser andere Stoffe gelöst, so erschweren sie den Wassermolekülen das Verlassen der Wasseroberfläche, wodurch die Verdunstungsrate sinkt und sich eine geringere Sättigungsmenge einstellt (sog. Lösungseffekt).

Oberflächenkrümmung des Wassers

Ist die Wasseroberfläche wie zum Beispiel bei einem Tropfen nach außen gekrümmt, so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche weniger stark gebunden und können die Oberfläche leichter verlassen. Dieser Krümmungseffekt bedingt daher, dass die Verdunstungsrate steigt. Wenn gesättigte Luft mit kleinen Nebeltröpfchen im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchte daher etwas über 100 %.

Ist die Wasseroberfläche nach innen gekrümmt (wie zum Beispiel beim Meniskus in einer teilweise wassergefüllten Kapillare), so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche stärker gebunden und können die Oberfläche weniger leicht verlassen – die Verdunstungsrate sinkt. Wenn gesättigte Luft in einem wasserhaltigen porösen Material mit den Menisken im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchte weniger als 100 %.

Feuchtemaße

Der Wassergehalt der Luft kann durch verschiedene so genannte Feuchtemaße angegeben werden. Synonym verwendbare Bezeichnungen werden durch einen Querstrich verdeutlicht, zusammengehörige Feuchtemaße stehen in der gleichen Zeile.

• Dampfdruck (siehe auch Sättigungsdampfdruck) und Sättigungsdefizit / Dampfhunger (Pa, hPa, kPa, bar)
• absolute Luftfeuchtigkeit / Wasserdampfdichte (g / m³, kg / m³)
• relative Luftfeuchtigkeit (%)
• spezifische Luftfeuchtigkeit / Wasserdampfgehalt (g / kg, kg / kg)
• Mischungsverhältnis / Feuchtegrad (g / kg, kg / kg)
• Taupunkt beziehungsweise Frostpunkt / Eispunkt / Reifpunkt und Taupunktdifferenz (°C, K)

Messgeräte zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit werden als Hygrometer bezeichnet, insbesondere als Absorptionshygrometer (Haarhygrometer), Taupunkt-Hygrometer, Psychrometer und Feuchtesensoren.

Absolute Luftfeuchtigkeit

Die absolute Luftfeuchtigkeit, auch Wasserdampfdichte oder kurz Dampfdichte (Formelzeichen: ρ_w, ρ_d, d oder a; nicht verbindlich festgelegt), ist die Masse des Wasserdampfes in einem bestimmten Luftvolumen, also dessen Dichte beziehungsweise Konzentration. Sie wird üblicherweise in Gramm Wasser pro Kubikmeter Luft angegeben. Nach oben begrenzt wird sie durch die maximale Feuchte ρ_w,max, die während einer Sättigung herrscht (zugehörige Formeln und Werte siehe dort). Die absolute Luftfeuchtigkeit ist aufgrund der Änderung des Volumens stark temperaturabhängig und ohne dessen Angabe nicht mit Werten in anderen Temperaturbereichen vergleichbar. Außerdem variiert sie mit der Höhe, da sich mit dieser der Luftdruck und damit auch das Volumen eines gegebenen Luftpaketes ändert. Die absolute Luftfeuchtigkeit hat also keine konservative Eigenschaft in der Vertikale und ändert sich daher auch bei Auf- und Abwärtsbewegungen des Luftpaketes (Konvektion). Man bezeichnet dies auch als Verschiebungsvarianz oder Instationarität. Dieser Effekt verschwindet jedoch aufgrund der druckunabhängigen Sättigungsmenge mit einer zunehmenden Annäherung an die maximale Feuchte.

Die absolute Luftfeuchtigkeit kann mittels folgender Formeln berechnet werden, wobei sich der erste Term durch die Umstellung der Zustandsgleichung idealer Gase ergibt:

<math>\rho_w = \frac{e}{R_w \cdot T } = \frac{m_{\mathrm{Wasserdampf}}}{V_{\mathrm{gesamt}}}</math>

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• e – Dampfdruck
• R_w – individuelle Gaskonstante des Wassers = 461,52 J/(kg K)
• T – Temperatur
• m_Wasserdampf – Masse des Wasserdampfs innerhalb des Luftpakets
• V_gesamt – Gesamtvolumen der feuchten Luft

Relative Luftfeuchtigkeit

Die relative Luftfeuchtigkeit (Formelzeichen: φ, f, U oder rF; nicht verbindlich festgelegt) ist das prozentuale Verhältnis zwischen der momentanen Luftfeuchtigkeit und der Feuchtigkeit, die die Luft unter den gegebenen Umständen maximal aufnehmen könnte. Die relative Luftfeuchtigkeit steht also für den relativen Sättigungsgrad des Wasserdampfs:

• Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % enthält die Luft nur die Hälfte der Wasserdampfmenge, die sie bei der entsprechenden Temperatur maximal aufnehmen könnte.
• Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit ist die Luft vollständig mit Wasserdampf gesättigt.
• Wird der Sättigungsgrad von 100 % überschritten, so schlägt sich die überschüssige Feuchtigkeit als Kondenswasser bzw. Nebel nieder.

Mit steigender Temperatur nimmt die zur Sättigung benötigte Wasserdampfmenge zu. Das hat zur Folge, dass die relative Luftfeuchtigkeit eines gegebenen Luftvolumens bei Erwärmung abnimmt. Da sich also die maximale Feuchte mit der Temperatur ändert, ist hier die Angabe der Temperatur für die Vergleichbarkeit der Werte zwingend notwendig. So zeigt sich beispielsweise, dass in einer als trocken erscheinenden Wüste mit einer Lufttemperatur von 34,4 °C und einer relativen Luftfeuchte von 20 % insgesamt 7,6 Gramm Wasserdampf in einem Kubikmeter Luft enthalten sind, was bei einer Lufttemperatur von 6,8 °C einer relativer Luftfeuchte von 100 % entspricht und somit zur Kondensation führen würde.

Man kann die relative Luftfeuchtigkeit mit folgenden Formeln berechnen:

<math>\varphi = \frac {e}{E} \cdot 100\ % \approx \frac {\mu}{\mu_s} \cdot 100\ % \approx \frac {\rho_w}{\rho_{w, max}} \cdot 100\ % \approx \frac {s}{S} \cdot 100\ %</math>

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• e – Dampfdruck
• E – Sättigungsdampfdruck
• ρ_w – absolute Luftfeuchtigkeit
• ρ_{w, max} – maximale absolute Luftfeuchtigkeit
• s – spezifische Luftfeuchtigkeit
• S – Sättigungsfeuchte
• μ – Mischungsverhältnis
• μ_w – Mischungsverhältnis bei Sättigung

Bei einer nichtprozentualen Angabe, also im Wertebereich 0 bis 1, spricht man vom Sättigungsverhältnis.

Mit Hilfe der relativen Feuchte und dem zugehörigen Temperaturwert lässt sich unter anderem auch der Taupunkt berechnen. Durch eine Kombination verschiedener Gleichungen erhält man eine Möglichkeit zur Umrechnung der relativen in die absolute Luftfeuchtigkeit auf Basis der Temperatur (t - Temperatur in °C; T - Temperatur in Kelvin):

<math>\rho_w = \frac{E_0}{R_w} \cdot \frac{\varphi}{T } \cdot E(t) \qquad \qquad \mathrm{mit} \qquad \qquad \frac{E_0}{R_w} = 1324,34 \; \frac{\mathrm{g \cdot K}}{\mathrm{m^3}} </math>

Spezifische Luftfeuchtigkeit

Die spezifische Luftfeuchtigkeit, auch Wasserdampfgehalt (Formelzeichen: s oder q) gibt die Masse des Wassers an, die sich in einer bestimmten Masse feuchter Luft befindet.

Diese Größe verhält sich im Unterschied zu den vorherigen Feuchtemaßen so lange konservativ bei Vertikalbewegungen eines Luftpaketes, wie keine Kondensation oder Verdunstung eintritt. Man bezeichnet dies auch als Verschiebungsinvarianz oder Stationarität. Die maximale spezifische Luftfeuchtigkeit im Sättigungszustand, die so genannte Sättigungsfeuchte, hat das Formelzeichen S (auch q_s).

Die spezifische Luftfeuchtigkeit s kann mit folgenden Formeln berechnet werden, wobei die jeweilige Größe über den ersten Term definiert ist und alle nachfolgenden Terme Äquivalente oder Näherungen hierzu darstellen (fL – feuchte Luft; tL – trockene Luft; W – Wasserdampf bzw. Wasser):

<math>s := \frac{m_{\mathrm{W}}}{m_{\mathrm{fL}}} = \frac{m_{\mathrm{W}}}{m_{\mathrm{tL}} + m_{\mathrm{W}}} = \frac{\frac{m_{\mathrm{W}}}{V_{\mathrm{G}}}}{\frac{m_{\mathrm{tL}}}{V_{\mathrm{G}}} + \frac{m_{\mathrm{W}}}{V_{\mathrm{G}}}} = \frac{\rho_{\mathrm{W}}}{\rho_{\mathrm{tL}} + \rho_{\mathrm{W}}} = \frac{\rho_{\mathrm{W}}}{\rho_{\mathrm{fL}}}</math>

<math>s = \frac{\rho_{\mathrm{W}}}{\rho_{\mathrm{tL}} + \rho_{\mathrm{W}}} = \frac{\frac{e}{R_W \cdot T}}{\frac{p - e}{R_{tL} \cdot T} + \frac{e}{R_W \cdot T}} = \frac{ \frac{e}{M_{\mathrm{W}}} }{ \frac{p - e}{M_{\mathrm{tL}}} + \frac{e}{M_{\mathrm{W}}} } = \frac{\frac{M_{\mathrm{W}}}{M_{\mathrm{tL}}} \cdot e}{p - \left(1 - \frac{M_{\mathrm{W}}}{M_{\mathrm{tL}}}\right) \cdot e} \approx \frac{0{,}622 \cdot e}{p - 0{,}378 \cdot e} \approx 0{,}622 \cdot \frac{e}{p}</math>

wobei gilt:

<math>\rho_{\mathrm{W}} = \frac{e}{R_W \cdot T} \qquad\qquad \mbox{und} \qquad\qquad M_{\mathrm{W}} = \frac{R_W}{R}</math>

<math>\rho_{\mathrm{tL}} = \frac{p - e}{R_{tL} \cdot T}\qquad\qquad \mbox{und} \qquad\qquad M_{\mathrm{tL}} = \frac{R_{tL}}{R}</math>

Die Sättigungsfeuchte errechnet sich dementsprechend nach:

<math>S := \frac{m_{\mathrm{W\ bei\ S\ddot attigung}}}{m_{\mathrm{fL}}} = \frac{\rho_{\mathrm{W\ bei\ S\ddot attigung}}}{\rho_{\mathrm{fL}}} \approx \frac{0{,}622 \cdot E}{p - 0{,}378 \cdot E} </math>

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• m_x – Massen
• ρ_x – Dichten
• V_G – Gesamtvolumen der feuchten Luft
• R_W – individuelle Gaskonstante des Wassers
• R_tL – individuelle Gaskonstante von trockener Luft
• T – Temperatur
• M_W – molare Masse von reinem Wasser = 18,01528 g/mol
• M_tL – molare Masse von trockener Luft = 28,9634 g/mol
• e – Dampfdruck
• p – Luftdruck
• E – Sättigungsdampfdruck

Mischungsverhältnis

Das Mischungsverhältnis (Formelzeichen: μ, x, m), auch Feuchtegrad genannt, gibt die Masse des Wassers an, die sich in einer bestimmten Masse trockener Luft befindet. Diese Größe verhält sich so lange konservativ bei Vertikalbewegungen eines Luftpaketes, wie keine Kondensation oder Verdunstung eintritt. Man bezeichnet dies auch als Verschiebungsinvarianz oder Stationarität.

Das Mischungsverhältnis kann mit folgenden Formeln berechnet werden, wobei es über den ersten Term definiert ist und alle nachfolgenden Terme Äquivalente oder Näherungen hierzu darstellen (fL – feuchte Luft; tL – trockene Luft; W – Wasserdampf bzw. Wasser):

<math>\mu := \frac{m_{\mathrm{W}}}{m_{\mathrm{tL}}} = \frac{\rho_{\mathrm{W}}}{\rho_{\mathrm{tL}}} = \frac{M_{\mathrm{W}}}{M_{\mathrm{tL}}} \cdot \frac{e}{p - e} \approx 0{,}622 \cdot \frac{e}{p - e}</math>

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• m_x – Massen
• ρ_x – Dichten
• M_W – molare Masse von reinem Wasser = 18,01528 g/mol
• M_tL – molare Masse von trockener Luft = 28,9634 g/mol
• e – Dampfdruck
• p – Luftdruck

Bedeutung und Anwendungsbereiche

Die Luftfeuchtigkeit ist in einer Vielzahl von Anwendungen von Bedeutung, wobei hier die Meteorologie und Klimatologie zwar deren theoretisches, nicht aber deren anwendungsorientiertes Zentrum bilden. Die Rolle des Wasserdampfes, dessen Eigenschaften, und insbesondere seine technischen Anwendungen außerhalb der atmosphärischen Bedingungen werden dort erläutert. Die allgemeinen Stoffeigenschaften und die natürliche Verbreitung des Wassers sind in dessen Artikel nachzulesen.

Alltag

Im Alltag lassen sich zahlreiche Phänomene auf die Luftfeuchte zurückführen, von welchen einige hier exemplarisch vorgestellt werden sollen.

Beobachtet man nasse Gegenstände oder offene Wasserflächen über einen längeren Zeitraum, ohne dass diesen von außen weiteres Wasser zugeführt wird, so nimmt deren Nässe ab bzw. die Wasserfläche trocknet aus. Wäsche wird mit der Zeit trocken, Pfützen verschwinden, Lebensmittel werden hart und ungenießbar. Es kommt zur Verdunstung. Diese ist jedoch nur so lange möglich, wie die Luft ungesättigt ist, die relative Luftfeuchte also unter 100% liegt.

Betritt man aus der kühleren Umgebung kommend einen geheizten Raum, so stellt man oft fest, dass Brillengläser anfangen zu beschlagen. Gleiches gilt auch für Fensterscheiben. Sind die Scheiben, zum Beispiel eines Pkws, wesentlich kälter als der Innenraum des Fahrzeuges, so beschlagen diese sehr schnell und können damit das Sichtfeld des Fahrers stark einschränken. Den gleichen Effekt gibt es in einem von heißen Dampfschwaden erfüllten Bad, denn hier beschlagen die Spiegel binnen kürzester Zeit. Grund für all diese Effekte sind die kalten Oberflächen, die die Luft in ihrer unmittelbaren Umgebung abkühlen. Je höher die relative Luftfeuchte der Umgebungsluft ist, desto schneller erreicht die Luft beim Abkühlen den Taupunkt und Wasser kondensiert. Je höher der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Umgebungsluft ist, desto stärker kühlt die oberflächennahe Umgebungsluft ab. Aus diesem Grunde zeigen sich die beschriebenen Fälle vor allem im Winter und in sehr nassen Räumen. Sind die Temperaturunterschiede bei einer Außentemperatur von unter 0 °C besonders stark ausgeprägt, so kann es auch zur Ausbildung von Eisblumen kommen.

Diese Effekte sind auch für das Vereisen von Gefrierfächern in einem Kühlschrank bei gleichzeitiger Austrocknung unverpackter Kühlware verantwortlich. Deren Wasser verdunstet zunächst, jedoch vergleichsweise langsam, bei Temperaturen zwischen 4 und 8 °C. Am kühleren Gefrierfach mit Temperaturen unter 0 °C resublimiert es aufgrund der Abkühlung hingegen zu Eis. Auch das Vereisen von Automobil-Vergasern im Winter ist diesem Zusammenhang geschuldet. Technische Verwendung findet dieser Effekt bei der Gefriertrocknung.

Die Ausatemluft ist beim Menschen, aber auch vielen Tieren, wesentlich feuchter und wärmer als die Einatemluft. Dies erkennt man daran, dass diese im Winter bzw. bei niedrigen Temperaturen scheinbar sichtbar wird. Die warmfeuchte Ausatemluft wird dabei unter den Taupunkt abgekühlt und es kommt zur Entstehung von Dampfschwaden. Gleiches gilt auch für die Abgase von Fahrzeugen und Kraftwerken, deren winterliche Dampfschwaden oft mit einer zusätzlichen Abgasemission verwechselt werden.

Meteorologie, Klimatologie und Hydrologie

Wird mit Wasserdampf gesättigte Luft unter den Taupunkt abgekühlt, so scheidet sich flüssiges Wasser durch Kondensation aus der Luft aus, falls die hierfür notwendigen Kondensationskeime (Aerosole) vorhanden sind. Diese liegen jedoch unter natürlichen Bedingungen fast immer in ausreichender Konzentration vor, so dass es nur in Ausnahmefällen zu markanten Übersättigungen von mehreren Prozentpunkten kommt. Die Kondensation und ab Temperaturen unter 0 °C auch Resublimation des Wasserdampfs führen unter anderem zur Wolkenbildung, zum Tau und zum Nebel. Wasserdampf ist daher kein permanentes Gas der Atmosphäre und weist mit einer statistischen Verweildauer von circa zehn Tagen eine hohe Mobilität auf.

Obwohl der Wasserdampf nur mit relativ geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vertreten ist, trägt er bedingt durch seine hohe Mobilität und dem damit verbundenen Stoffumsatz einen großen Anteil am globalen Wasserkreislauf und spielt daher in der Wasserbilanz eine wichtige Rolle. Hierbei ist die Luftfeuchte auch eine wichtige Eingangsgröße zur Niederschlagsbildung bzw. dessen Berechnung und auch der Bestimmung der Verdunstung bzw. der Evaporation, Transpiration und Interzeptionsverdunstung, was wiederum eine wesentliche Rolle für verschiedene Klimaklassifikationen im Rahmen der klimatischen Wasserbilanz spielt.

Aus der Luftfeuchte lassen sich zudem wichtige meteorologische Größen ableiten, wie zum Beispiel das Kondensationsniveau und die virtuelle Temperatur. Auch ist die Luftfeuchte bzw. der Wasserdampf wesentlich am Strahlungshaushalt der Atmosphäre beteiligt und beeinflusst durch die in seinem Aggregatzustand gespeicherte latente Wärme den atmosphärischen Temperaturgradienten (feuchtadiabatischer Temperaturgradient).

Trocknung

Bei der Trocknung von Materialien durch Verdunstung ist entscheidend, dass sich zwischen dem Wassergehalt des Trockengutes und der Luftfeuchtigkeit ein Gleichgewicht einstellt. Bei einer bestimmten Luftfeuchte und Temperatur kann das Trockengut daher nicht beliebig weiter getrocknet werden, sondern erreicht irgendwann einen für die jeweiligen Bedingungen charakteristischen Gleichgewichtspunkt. Es reicht daher nicht in jedem Falle einfach aus, zu warten, bis sich der gewünschte niedrige Wassergehalt des Trockengutes eingestellt hat. Andererseits ist es aufwändig, die Luft ständig auszutauschen oder auf hohe Temperaturen zu erwärmen, so dass der exakten Berechnung dieses Gleichgewichtspunktes eine hohe Bedeutung in der Trocknungstechnik zukommt. In anderen Anwendungsfällen wie im Bauwesen und der Landwirtschaft wird hingegen in der Regel auf die Wirkung des Windes vertraut, der ständig neue ungesättigte Luft heranweht und somit beispielsweise dem Heu oder dem frischen Beton das Wasser entzieht.

Biologie

In der Biologie und hier besonders der Ökologie ist die Luftfeuchtigkeit von großer Bedeutung. Sie bedingt nicht nur das Auftreten von Klimazonen oder bestimmten Ökosystemen, sondern spielt auch bei der Transpiration über die Spaltöffnungen der Blätter und im Interzellularraum (Interzellularem) derselben eine große Rolle (Wasserdampfpartialdruck). Die Luftfeuchte ist daher ein wichtiger Parameter für den Wasserhaushalt von Pflanzen und Tieren (Schwitzen). Eine besondere Rolle spielt die Luftfeuchte zudem für Tiere, die hauptsächlich über die Haut atmen. Hierzu zählen viele Schnecken und andere Weichtiere, die in der Folge auch eine geringe Toleranz gegen Austrocknung besitzen.

Gesundheit

Im Bereich der Humanmedizin wird eine relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft von 45–55 % empfohlen. Vor allem in geschlossenen, schlecht belüfteten und gut beheizten Räumen wird dieser Wert jedoch oft unterschritten, was zu einer verminderten Atemleistung und einer Beeinträchtigung der Haut bzw. Schleimhaut führen kann. Dies ist besonders im Winter der Fall, da die kalte Außenluft dann nur eine geringe absolute Luftfeuchte besitzt und im Anschluss an das Erwärmen auf Zimmertemperatur nachbefeuchtet werden sollte (Luftbefeuchter), um die relative Luftfeuchte nicht zu stark absinken zu lassen.

In sehr kalten Gebieten oder auch kalten Jahreszeiten bzw. in der Nacht zeigt sich oft ein erhöhter Flüssigkeitsverbrauch des menschlichen Organismus, obwohl aufgrund des fehlenden Flüssigkeitsverlustes durch Schwitzen eher das Gegenteil angenommen werden müsste. Begründet liegt dies in der Befeuchtung der trockenen Einatemluft und dem damit verbundenen Wasserverlust. Wird die kalte Außenluft beim Einatmen erwärmt, so steigt deren Wasserdampfkapazität und senkt damit auch die relative Luftfeuchte. Im Gegensatz hierzu steigt das Sättigungsdefizit an und die Neigung des flüssigen Lungengewebs-Wassers, in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen, nimmt zu. Im Sommer bzw. bei warmer Umgebungsluft wird die Einatemluft kaum noch zusätzlich erwärmt und behält daher ihre meist hohe relative Luftfeuchtigkeit. Sind die zusätzlichen Wasserverluste durch Schwitzen hier nicht allzu groß, ist der Wasserbedarf des Körpers daher bei kalten Umgebungsbedingungen höher.

Eine erhöhte Luftfeuchtigkeit ist für die Atmung förderlich, da der Sauerstoff über die Alveolen dann leichter in die Blutbahn gelangt. Die Haut benötigt eine hohe Luftfeuchte, um nicht auszutrocken, da diese eng mit der Hautfeuchte gekoppelt ist. Besonders Schleimhäute sind hierfür anfällig, da sie nur über einen geringen Verdunstungsschutz verfügen und auf ihre hohe Feuchte zur Erhaltung ihrer Funktionen angewiesen sind. So kann eine geringe Feuchte der Nasenschleimhaut ein erhöhtes Auftreten von Nasenbluten zur Folge haben. Generell wird dabei auch die Immunabwehr der Haut geschwächt (erhöhtes Erkältungsrisiko) und deren Fähigkeit zum Stoffaustausch herabgesetzt, wovon besonders die Mundschleimhaut betroffen ist. Auch die Anfälligkeit für Hautreizungen bzw. -rötungen oder gar Hautentzündungen wird durch eine geringe Luftfeuchtigkeit erhöht.

Eine hohe relative Luftfeuchte behindert hingegen die Regulation der Körpertemperatur durch das Schwitzen und wird daher schnell als schwül empfunden. Trotz relativ gesehen höherer Temperaturen, können daher sehr heiße Wüsten oft wesentlich leichter durch den Organismus verkraftet werden (vorausgesetzt er leidet nicht unter Austrocknung) als Regenwälder mit einer hohen Luftfeuchte und vergleichsweise gemäßigten Temperaturen. Dieser Effekt, den Luftfeuchtigkeit auf die gefühlte Temperatur besitzt, wird durch den Humidex beschrieben, wobei der grundsätzliche Zusammenhang zwischen einer steigenden Luftfeuchte und einer steigenden gefühlten Temperatur auch für niedrige Werte der Luftfeuchte gilt und somit beispielsweise zur Reduzierung der Zimmertemperatur und damit des Heizaufwandes herangezogen werden kann.

Bei der Durchführung von Inhalationsnarkosen ist die Anfeuchtung des inhalierten Gasgemisches sehr wichtig, da die zur Anwendung kommenden medizinischen Gase wasserfrei gelagert werden und andernfalls die auftretenden Verdunstungseffekte in der Lunge des Patienten Auskühlungserscheinungen (Verdunstungskälte) und eine gewisse Austrocknung bewirken würden.

Land- und Forstwirtschaft

In der Landwirtschaft besteht bei einer zu niedrigen Luftfeuchte die Gefahr einer Austrocknung der Feldfrüchte und damit der Missernte. Durch die Erhöhung des Dampfdruckgradienten zwischen Blattoberfläche und Atmosphäre wird den Pflanzen dabei Feuchtigkeit entzogen (siehe Abschnitt Biologie), insbesondere wenn ihre Spaltöffnungen am Tag geöffnet sind und sie nur über einen geringen Verdunstungsschutz verfügen, was bei vielen heimischen Kulturpflanzen der Fall ist.

Doch auch in der Forstwirtschaft und der holzverarbeitenden Industrie spielt die Luftfeuchte eine Rolle. Lagerndes Holz verfügt über eine Eigenfeuchte, die so genannte Holzfeuchte, die sich im Laufe der Zeit an die Luftfeuchte anpasst. Diese Änderung der Holzfeuchte wirkt sich auf die Zusammensetzung und das Volumen des Holzes aus und ist somit von großer Wichtigkeit für alle holzverarbeitenden Gewerbe und Industrien. So werden zum Beispiel in Sägewerken oft Sprinkleranlagen eingesetzt, um das Holz feucht halten.

Auch die typische Art und Weise Bretter, Kanthölzer und Balken so zu lagern, dass sie von allen Seiten von Luft umströmt werden können, soll garantieren, dass sich diese nicht verziehen oder gar faulen. Auch muss beim Verlegen von Dielen- und Parkettfußböden darauf Rücksicht genommen werden, dass sich das Holz der Umgebungsfeuchte anpasst (Fasersättigungspunkt) und dieses daher quellen und schwinden kann.

Lagerhaltung und Produktion

In der Lagerhaltung von Lebensmitteln ist die Luftfeuchtigkeit sehr wichtig zur Steuerung der Genussreife, vor allem bei Lagerobst. Auch Korrosion kann durch eine hohe Luftfeuchtigkeit begünstigt werden und muss daher bei der Lagerung, beispielsweise von Metallen, berücksichtigt werden. Dies gilt in gleicher Form für alle anderen luftfeuchteempfindlichen Stoffe und Güter, wie unter anderem besonderen Chemikalien, bestimmten Zigarren (Humidor rechts), Weinen, Salami, Holz, Kunstwerken, Büchern und integrierten Schaltkreisen. Als Folge hiervon ist die Luftfeuchte ein wesentlicher Faktor bei der Gestaltung von Raumklimaten in Lagerräumen, Museen, Archiven, Büchereien, Laboren, Rechenzentren und industriellen Produktionsanlagen, besonders in der Mikroelektronik. Besonders problematisch ist eine solche Lagerung auch bei einem Gütertransport über lange Distanzen und hierbei speziell in einem wetterisolierten Container. Wechselnde Umwelteinflüsse können hier zur Bildung von Kondenswasser führen und auf diese Weise Schäden am Transportgut hervorrufen.

Außenwände von Gebäuden

In der Bauphysik spielt der in einem gesonderten Artikel behandelte Taupunkt in Form der Taupunktebene eine wichtige Rolle. Unter dieser versteht man die Temperaturfläche innerhalb des Mauerwerks bzw. der Außenwand eines Gebäudes, ab welcher es bei einer weiteren Abkühlung zur Bildung eines Kondensats kommen kann. Hintergrund ist, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte Luft. Bewegt sich warme und mit Feuchtigkeit angereicherte Luft durch Diffusion oder Konvektion innerhalb der Außenwand vom wärmeren zum kälteren Raum (bzw. von innen nach außen) entlang des Gradienten der Wasserdampfkonzentration, so kommt es zur Kondensation und damit zur Feuchtebildung, sobald der Taupunkt unterschritten wird. Hieraus kann wiederum eine gesundheitsgefährdende Schimmelbildung resultieren. Die Bestrebung geht folglich dahin, den Ort des Taupunktes durch den gezielten Einsatz von Baumaterialien bzw. auch Baumethoden möglichst weit nach außen zu verlagern bzw. überhaupt einen Taupunkt zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist die Wärmedämmung, welche in der Regel an der Außenseite der Wand angebracht wird. Sie kann damit, im Gegensatz zu einer innenliegenden Dämmung, die Schimmelbildung in den Innenräumen einschränken.

In der Winterperiode - in diesem Zusammenhang oft als Tauperiode bezeichnet - sind die Temperatur und der Wasserdampfdruck im Inneren höher als außen. Die Außenwand weist daher für beide Werte ein Gefälle nach außen auf. Dieses ist jedoch selbst bei einer homogenen Außenwand nicht gleich, da deren zeitabhängige Speicherwirkung für Wärme und Wasserdampf unterschiedlich ist und sich auch die Temperaturen und Dampfdrücke im Zeitablauf unterschiedlich ändern. Bei inhomogenen Wänden kommt hinzu, dass das Gefälle in den einzelnen Materialien unterschiedlich ist. So hat eine Dampfsperrfolie zum Beispiel ein großes Dampfdruckgefälle, jedoch hingegen kaum ein Temperaturgefälle. Bei Dämmstoffen ist es oft umgekehrt, hier ist das Gefälle des Wasserdampfdrucks klein, aber das Temperaturgefälle hoch. Kondensation tritt immer dann ein, wenn der Wasserdampfdruck örtlich und zeitlich seinen bei gegebener Temperatur maximal möglichen Wert überschreiten würde.

Siehe auch: Dampfbremse

Luft- und Raumfahrt

In der Luftfahrt besteht die Gefahr des Vereisens von Tragflächen und Leitwerk durch die Resublimation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes. Dieser Effekt kann die Flugfähigkeit binnen kürzester Zeit sehr stark einschränken und ist für zahlreiche Unglücke verantwortlich.

In der Raumfahrt kommt es bei Raketenstarts zu ähnlichen durch niedrige Außentemperaturen bedingten Problemen. Startfenster werden daher auch nach meteorologischen Gesichtspunkten gewählt und Starts notfalls abgebrochen, wobei die Nichtbeachtung dieses Grundsatzes, meist in Verbindung mit technischen Mängeln, für Katastrophen wie die Explosion der Challenger-Raumfähre verantwortlich war.

Quellen und Referenzen

Literatur

• Häckel H. (1999): Meteorologie. 4. Aufl. Ulmer Verlag, Stuttgart; UTB 1338; 448 S. ISBN 3-8252-13382
• Zmarsly E., Kuttler W., Pethe H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart. S ISBN 3-8252-22810
• Hupfer P., Kuttler W. (1998): Witterung und Klima. Teubner Verlag, Stuttgart/Leipzig. ISBN 3-4430-71236
• Weischet W. (2002): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Borntraeger . ISBN 3-4430-71236

Weblinks

• Online-Rechner für die wichtigsten meteorologischen Größen
• Einführung in die Luftfeuchte, Schutz von Kulturgütern (Unterseite)
• Informationen in Bezug auf die Rolle der Luftfeuchte für Holz und Wohnklima