Die Luftfeuchtigkeit und Wolkenbildung

Wolken bringen Niederschläge und sind damit klimatisch von besonderer Bedeutung. Außerdem lassen sich an Hand ihrer Erscheinung Aussagen über den Zustand der Atmosphäre und über die weitere Wetterentwicklung treffen.

Grundsätzlich gibt es zwei Grundformen: Cumuluswolken (scharf begrenzt) entstehen durch Konvektion. Stratuswolken (einheitliche, nicht abgegrenzte Wolkendecke) entstehen durch Advektion.

Cumulus und Stratus

Konvektion ist das vertikale Aufsteigen von Warmluft. Advektion bezeichnet das horizontale Aufgleiten von Warmluft über kältere Luft. Um die Wolkenbildung zu verstehen, sollte man die Luftfeuchtigkeit kennen.

Luftfeuchtigkeit

In der Atmosphäre kommt Wasser in allen seinen Aggregatzuständen vor: fest (Eis, Schnee), flüssig (Regen) und gasförmig (Wasserdampf). Die Größe des gasförmigen Wassers in der Luft ist die Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit gibt also den Wasserdampfgehalt an.

Taupunktkurve

Die Luftfeuchte wird verschieden angegeben:

  • maximale Luftfeuchtigkeit (g/m³) ... gibt an, wie viel Wasserdampf höchstens in einen Kubikmeter Luft passt. Sie ist temperaturabhängig, d.h. in kälterer Luft ist sie kleiner als in wärmerer Luft
  • absolute Luftfeuchtigkeit (g/m³) ... gibt an, wie viel Wasserdampf tatsächlich in der Luft enthalten ist.
  • relative Luftfeuchtigkeit (%) ... ist der Quotient aus absoluter und maximaler Luftfeuchtigkeit, multipliziert mit Hundert. LFrel = (LFabs * 100)/LFmax

Das nebenstehende Diagramm ist die "Taupunktkurve". Die Kurve selbst stellt die maximale Luftfeuchte bei verschiedenen Temperaturen dar. Aus ihr ist ersichtlich, dass die maximale Luftfeuchte temperaturabhängig ist. Der Taupunkt ist die Temperatur, bis zu der sich eine Luftmasse abkühlen muss, damit das in ihr beinhaltete Wasser kondensiert.

Was passiert, wenn die absolute Luftfeuchte größer als die maximale wird, wenn also die relative Luftfeuchte 100% übersteigt?
Beträgt die relative Luftfeuchtigkeit mehr als 100%, dann ist die Luft übersättigt. Dann wechselt der gasförmige Wasserdampf in den flüssigen Zustand. Wasserdampf kondensiert also zu Wasser. Erst dann können sich Wolken bilden; Wolken bestehen nämlich nicht aus Wasserdampf sondern aus flüssigem Wasser bzw. aus Eis!

Beispiele zum Berechnen von Luftfeuchten und dem Arbeiten mit der Taupunktkurve:

Aufgabe 1: Bei einer Lufttemperatur von 15C beträgt die absolute Luftfeuchte 6,8 g/m³. Wie groß ist die relative Luftfeuchte?

geg.: LFabs = 6,8 g/m³; T = 15C
ges.: LFrel in %
(Zum Berechnen wird die obige Gleichung verwendet. Wir brauchen noch die maximale Luftfeuchte. Sie ist der Taupunktkurve zu entnehmen. Bei 15C beträgt sie 12,8 g/m³.)
LFrel = (6,8 g/m³ * 100)/12,8 g/m³ = 53,125%

Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt in diesem Beispiel rund 53%.

Aufgabe 2: An einer Wetterstation wurden folgende Werte gemessen: Lufttemperatur = 20C, absolute Luftfeuchte = 6,8 g/m³.
Wie groß ist der Taupunkt?

(Überlegung: Taupunkt = Temperatur, wo Luft kondensiert; also: Wie weit muss sich die oben gegebene Luftmasse von 20C abkühlen, damit die absolute Luftfeuchte gleich der Maximalen wird und so die Kondensation einsetzen kann?) Ablesen des Wertes aus der Taupunktkurve

Die Luft muss sich bis auf 5C abkühlen, damit sie kondensiert. Der Taupunkt beträgt also 5C.

Aufgabe 3: Bei einer Lufttemperatur von 0C beträgt die absolute Luftfeuchte 17 g/m³. Wie groß ist die relative Luftfeuchte?

geg.: LFabs = 17 g/m³; T = 0C
ges.: LFrel in %
(Zum Berechnen verwenden wir die obige Gleichung. Wir brauchen noch die maximale Luftfeuchte. Sie ist ebenfalls wieder der Taupunktkurve zu entnehmen. Bei 0C beträgt sie 4,8 g/m³.)
LFrel = (17 g/m³ * 100)/4,8 g/m³ = 354,16%

Die relative Luftfeuchte beträgt etwa 354%. Die Luft ist damit übersättigt.

Das letzte Beispiel zeigt es deutlich: ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die Luft übersättigt. Dies geschieht, wenn die absolute Luftfeuchte größer als die maximale ist, wenn also die relative Luftfeuchte Werte über 100% annimmt. Das bedeutet, dass es keine Luftfeuchte mehr gibt, sondern nun setzt die Kondensation ein und es bildet sich flüssiges Wasser, also Wolken.

Wolkenbildung

Mit diesen Vorkenntnissen über die Luftfeuchtigkeit lässt sich nun die Wolkenbildung erklären. Hier wird die Wolkenbildung durch Konvektion, also die Entstehung von Quellwolken (Cumulus) erklärt. Die Advektion verläuft aber nach dem gleichen Grundprinzip: Luft muss sich bis zum Taupunkt abkühlen!

Wolkenbildung

Durch eine hohe Erwärmung der Erdoberfläche verdunstet Wasser von Gewässern, Wäldern u.a. Diese Wasserteilchen steigen mit der warmen Luft auf, da die warme Luft sich stark ausdehnt und leichter als die Umgebungsluft ist. Wenn dieser Verdunstungsstrom in zunehmende Höhen gelangt, kühlt sich das in ihm mitgeführte Wasser um 1C pro 100 m ab. Diesen Prozess bezeichnet man als trockenadiabatische Abkühlung. Die Luft kühlt sich so lange ab bis sie den Taupunkt erreicht: in einem Kubikmeter (m3) Luft ist so viel Wasser enthalten wie es nur möglich ist, die relative Luftfeuchte beträgt 100%, die Luft ist also gesättigt. Das Wasser im Luftpaket kondensiert. Die Höhe, in der dieser Vorgang abläuft, wird als Kondensationsniveau bezeichnet. Wenn die Wasserteilchen kondensieren, wechseln sie vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Dann lagern sie sich an atmosphärischen Dreck und Staub - sogenannte Kondensationskerne - an. Es bilden sich Quell-/Cumulus-Wolken. Diese Wasserteilchen steigen weiter auf, dabei kühlen sie sich aber nur noch um ½C pro 100 m ab. Dies wird als feuchtadiabatische Abkühlung bezeichnet. Wenn die Wolke mit ihren Wasserteilchen "zu schwer" wird, entstehen Niederschläge (Regen, Schnee, Hagel, Graupel).

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Interaktive Aufgaben:
Lückentext: Die Wolkenbildung

Materialien
Luftfeuchtigkeit und Wolkenbildung, Luftfeuchtigkeit und Wolkenbildung

Zum Weiterlesen:
Wolkenklassifikation, Atmosphärische Schichtungstypen, Der Föhn