Luftfeuchtigkeit

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

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. Bestimmt 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.

Abhängigkeit 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.

Temperaturabhängigkeit der Luftfeuchtigkeit

Beobachtung

Die Wasserdampfkapazität der Luft nimmt, wie in der Abbildung rechts dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der atmosphärische Wasserdampf hat dabei für jede Temperatur eine eindeutig bestimmte Sättigungsmenge. Ein Kubikmeter Luft kann 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.

Ursache

Der Grund für die Temperaturabhängigkeit ist, dass, wie von der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschrieben, die Geschwindigkeiten der Wassermoleküle in der Luft mit der Temperatur zunimmt. Je höher die Geschwindigkeit der Moleküle ist, desto eher kann ein Wassermolekül, wenn es auf ein anderes trifft, die zwischenmolekularen Anziehungskräfte überwinden und im gasförmigen Zustand verbleiben. Reicht die Geschwindigkeit jedoch nicht aus, um die Anziehungskräfte zu überwinden, so kommt es zur Ausbildung von Bindungen zwischen den Wassermolekülen. Diese wechseln in der Folge in den flüssigen oder festen Aggregatzustand, womit die Luftfeuchtigkeit sinkt.

Dies ist ein dynamischer Prozess, in der Realität wechseln ständig eine große Zahl von Wassermolekülen vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand und umgekehrt. Wenn bei diesem Prozess die gleiche Zahl in den flüssigen wie in den gasförmigen Zustand wechselt, was der Fall ist wenn die Temperatur konstant ist, bleibt auch die Luftfeuchtigkeit konstant und man spricht von einem dynamischen Gleichgewicht. Ist die Luft im dynamischen Gleichgewicht, so beinhaltet sie unter sonst gleichen Bedingungen immer dieselbe Menge an gasförmigen Wassermolekülen. Diese Menge ist die oben beobachtete Sättigungsmenge, die Wasserdampfkapazität der Luft. Erhöht sich die Temperatur und damit die Teilchengeschwingkeit der Wassermoleküle, so wechseln weniger gasförmige Wassermoleküle in den flüssigen Zustand. Dadurch steigt die Menge des gasförmigen Wassers und die Menge des flüssigen sinkt. Da die größere Zahl gasförmiger Moleküle mit der Zeit die höhere Temperatur kompensiert - bei einer größeren Zahl können sich wieder mehr gasförmige Wassermoleküle in den flüssigen Zustand übergehen - wechselt dann wieder die gleiche Zahl in den flüssigen wie in den gasförmigen Zustand. Es entsteht also wieder ein dynamisches Gleichgewicht, jedoch an einem anderen Gleichgewichtspunkt und damit mit einer anderen Sättigungsmenge, welche in diesem Falle höher liegen würde als vor der Temperaturerhöhung. Verringert sich hingegen die Temperatur, so verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten des flüssigen und/oder festen Aggregatzustandes, was mit einer geringeren Sättigungsmenge verbunden ist.

Grundprinzip der Wasserdampfaufnahme

Die Luft nimmt den Wasserdampf in der Regel nicht im Sinne eines Schwammes oder einer chemischen Interaktion auf. Es handelt sich also bei der Wasserdampfaufnahme der Luft nicht um einen Prozess, der analog zu einer Lösung verstanden werden sollte. Die Luft ist kein Lösungsmittel für den Wasserdampf. Einige der Wasserteilchen treten vielmehr bedingt durch ihre hohe Geschwindigkeit in den gasförmigen Aggregatzustand über und agieren dabei als eigenständige Teilchen. Die zugehörigen Prozesse bezeichnet man als Verdunstung und Verdampfen.

Obwohl umgangssprachlich gebräuchlich und wegen der Einfachheit der Ausdrucksweise auch in Fachkreisen weit verbreitet, ist es daher in diesem Zusammenhang irreführend, von einer Wasserdampfaufnahme der Luft oder einer Sättigung der Luft mit Wasserdampf zu sprechen. Die Wasserdampfkapazität der Luft hängt im Wesentlichen nur vom Wasserdampf selbst beziehungsweise dessen Verhalten ab, also vor allem von der Temperatur. Sie ist dagegen kaum abhängig von den anderen Gasen der Erdatmosphäre. Man könnte daher - in einer korrekteren Form - von einer Sättigung des Wasserdampfs durch sich selbst sprechen.

Druckabhängigkeit der Luftfeuchtigkeit

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).

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 hat sie keine konservative Eigenschaft bei Vertikalbewegungen eines Luftpaketes (Konvektion), variiert also mit der Höhe, da sich hierbei der Luftdruck und damit auch das Volumen des Luftpaketes ändert. 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:

\rho _{w}={\frac {e}{R_{w}\cdot T}}={\frac {m_{\mathrm {Wasserdampf} }}{V_{\mathrm {gesamt} }}}

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 absoluten Luftfeuchtigkeit und deren maximaler Feuchte und wird demzufolge in Prozent angegeben. Bei einer nichtprozentualen Angabe, also im Wertebereich 0 bis 1, spricht man vom Sättigungsverhältnis. Die relative Luftfeuchtigkeit steht also für den relativen Sättigungsgrad des Wasserdampfs. Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit ist die Luft vollständig mit Wasserdampf gesättigt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % enthält die Luft nur die Hälfte der Wasserdampfmenge, die sie bei der entsprechenden Temperatur maximal aufnehmen könnte. Wird der Sättigungsgrad von 100 % überschritten, so schlägt sich die überschüssige Feuchtigkeit als Kondenswasser 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:

\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\ \%

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

Mit Hilfe der relativen Feuchte und dem zugehörigen Temperaturwert lässt sich unter anderem auch der Taupunkt berechnen.

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):

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} }}}

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}}

wobei gilt:

\rho _{\mathrm {W} }={\frac {e}{R_{W}\cdot T}}\qquad \qquad und\qquad \qquad M_{\mathrm {W} }={\frac {R_{W}}{R}}

\rho _{\mathrm {tL} }={\frac {p-e}{R_{tL}\cdot T}}\qquad \qquad und\qquad \qquad M_{\mathrm {tL} }={\frac {R_{tL}}{R}}

Die Sättigungsfeuchte errechnet sich dementsprechend nach:

S:={\frac {m_{\mathrm {W\ bei\ S{\ddot {a}}ttigung} }}{m_{\mathrm {fL} }}}={\frac {\rho _{\mathrm {W\ bei\ S{\ddot {a}}ttigung} }}{\rho _{\mathrm {fL} }}}\approx {\frac {0{,}622\cdot E}{p-0{,}378\cdot E}}

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):

\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}}

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 Aerologie, 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 allgemeine Stoffeigenschaften und die natürliche Verbreitung des Wasser sind in dessen Artikel nachzulesen.

Alltag

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

Beobachtet man nasse Gegenstände oder offene Wasserflächen über einen längeren Zeitraum, ohne das 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, die jedoch nur möglich ist, solange 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, das 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 Fahres 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 Temperturunterschied zwischen Oberfläche und Umgebungsluft ist, desto stärker kühlt die oberflächennahe Umgebungsluft ab. Aus diesem Grunde zeigen sich die beschrieben Fälle auch 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.

In sehr kalten Gebieten oder auch kalten Jahreszeiten bzw. in der Nacht zeigt sich ein erhöhter Flüssigkeitsverbrauch des Organismus, obwohl aufgrund des fehlenden Flüssigkeitsverlustes durch Schwitzen eher das Gegenteil angenommen werden könnte. Begründet liegt dies in der Befeuchtung der trockenen Einatemluft und dem damit verbundenen Wasserverlust. Wird die kalte Außenluft beim Einatmen erwärmt, so sinkt deren Wasserdampfkapazität und 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. Die Befeuchtung der Atemluft erkennt man auch daran, das die Ausatemluft 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 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 Erde beteiligt und beeinflusst durch die in seinem Aggregatzustand gespeicherte latente Wärme den atmosphärischen Temperaturgradienten (feuchtadiabatischer Temperaturgradient).

Trocknung

Bei der natürlichen wie künstlichen 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 wichtig für den Wasserhaushalt von Pflanzen und Tieren (Schwitzen). Eine besondere Rolle spielt die Luftfeuchte zudem für Tiere, die ihren Sauerstoff hauptsächlich über die Haut aufnehmen. Hierzu zählen viele Schnecken und andere Weichtiere. Diese zeigen daher auch eine geringe Toleranz gegen Austrocknung.

Humanmedizin

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.

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 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 (vorrausgesetzt er leidet nicht unter Austrocknung), als Regenwälder mit einer hohen Luftfeuchte und vergleichsweise gemäßigten Temperaturen.

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.

Siehe auch: Humidex

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 garantierten, 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.

Datei:SEM bread mold (1200x).jpg

Konidienträger des Schimmelpilzes Penicillium

Bauwirtschaft

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 innerhalb des Mauerwerks 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. 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.

Siehe auch: Dampfbremse

Luft- und Raumfahrtfahrt

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 3825213382
Zmarsly E., Kuttler W., Pethe H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart. S ISBN 3825222810
Hupfer P., Kuttler W. (1998): Witterung und Klima. Teubner Verlag, Stuttgart/Leipzig.
Weischet W. (2002): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Borntraeger . ISBN 3443071236

Weblinks