Bildung von Tropfen

Die Bildung von Tropfen

Eine Wolke entsteht, wenn der Wasserdampf in der Atmosphäre flüssig wird, d.h., wenn feuchte Luft sich abkühlt. Welche Zusammenhänge genau bestehen zwischen der Temperatur und der Menge an Wasser in der Luft? Was ist die Tröpfchengröße im Inneren einer Wolke?

Sättigung der Luft

Die Menge an Wasserdampf, die die Luft zu halten vermag, hängt von ihrer Temperatur ab. Für eine gegebene Temperatur bezeichnen wir denjenigen Wert als relative Feuchte, der das Verhältnis angibt, zwischen der Masse an Wasser, die die Luft tatsächlich enthält verglichen mit der Menge an Wasserdampf, die sie maximal halten kann.

Wir sprechen davon, dass Luft gesättigt ist, wenn sie so viel Wasserdampf enthält, wie sie maximal halten kann. Gesättigte Luft hat eine Feuchte von 100%. Übersättigte Luft hat eine Feuchte von mehr als 100%.

Schaue in die Tabelle, um zu sehen, wie groß die maximale Menge an Wasser ist, die die Luft für eine bestimmte Temperatur enthalten kann.

T°C -20 -10 0 +10 +20 +30
Menge an Wasserdampf (g an Wasser / m3 an Luft) 1,1 2,3 4,8 9,4 17,3 30,5

Für mehr Werte verweisen wir die Sättigungskurve des Wasserdampfes.

Nehmen wir z.B. an, ein Luftpaket habe eine Temperatur von 20°C und enthält eine Wasserdampfkonzentration von 9,4 g/m3. Die relative Feuchte beträgt dann: 100 x (9,4/17,3) = 54,3%. Kühlt sich dieses Luftpaket nun auf 10°C ab, so beträgt die relative Luftfeuchte 100%. Die Luft ist gesättigt. Fällt die Temperatur nun weiter, z.B. bis auf 0°C, so kann die Luft nur noch eine Menge Wasser von 4,8 g/m3 halten. Das Luftpaket ist folglich mit (9,4 - 4,8) = 4,6 g übersättigt. Dieses überschüssige Wasser kondensiert am vorhandenen Aerosol und löst die Bildung von Wolkentröpfchen aus. Die relative Feuchte kehrt auf einen Wert von 100% zurück. 100% entsprechen einer Wasserdampfkonzentration von 4,8 g/m3.

Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasser kann sie halten. Darum wird warme Luft genutzt, um Dinge zu trocknen. Sie nimmt die Feuchtigkeit auf (absorbiert sie). Auf der anderen Seite zwingt eine Abkühlung gesättigter Luft das Wasser dazu, zu kondensieren. Dies ist der Grund, warum eine kalte Flasche Mineralwasser zu schwitzen beginnt. Die sie umgebende Luft gibt ihre Feuchtigkeit ab.

1. Eine schwitzende Dose.
Quelle: C. Gourbeyre.

Die Tropfen im Inneren einer Wolke

Die Größe von Tropfen variiert von einigen Mikrometern bis zu mehr als 100 µm (0,1 mm) bei großen Tropfen. Eine durchschnittliche Größe ist 10 µm. Wolken über dem Festland neigen dazu, eine geringere Größe zu haben. Marine Wolken hingegen zeichnen sich durch größere Tropfen und eine geringere Tropfenkonzentration aus. Für gewöhnlich liegt die Dichte der Tropfen zwischen 25000 und einer Million Tropfen pro Liter Luft.

Die Distanz zwischen zwei Tropfen beträgt etwa 1,4 mm, was dem 70fachen ihres Durchmessers entspricht. Dies sieht etwa so aus wie eine Fläche, auf der alle 20 oder 30 m ein Fußball liegt. Um zu Niederschlag zu führen, müssen die Tropfen eine Größe vom etwa 100fachen ihres ursprünglichen Durchmessers erreichen.

In "warmen Wolken" (solche, die kein Eis enthalten) können die Tropfen bis auf die für Niederschlag notwendige Größe anwachsen, indem sie aneinander haften bleiben. Mit der Zeit werden die Tropfen größer und größer bis sie zu schwer werden, um noch in der Luft in der Schwebe gehalten zu werden. Der Auftrieb, der den Tropfen in der Luft hält, kann das Fallen nicht mehr verhindern. In Cumulonimbus-Wolken zum Beispiel sind die vertikalen Strömungen sehr stark. Auch große Tropfen werden noch gehalten. Dies erklärt, warum Regentropfen während eines Gewitters so groß sind.

2. Nach unten wirkende Kraft (rot): Masse x Erdanziehung.
Nach oben wirkende Kraft (blau): Luftwiderstand / Auftrieb.

Kältere Wolken bestehen aus Eiskristallen, flüssigem Wasser und Wasserdampf. Der Wasserdampf kondensiert auf den Eiskristallen und flüssige Tropfen gefrieren bei Kontakt mit den Eiskristallen. Werden sie größer und größer, so fallen die Eiskristalle als Schnee. Oder aber es regnet, wenn sie schmelzen, bevor sie den Erdboden erreichen.

Last modified: Tuesday, 18 September 2018, 11:35 PM