Wasserdampf - Water vapor

Wasserdampf (H 2 O)
St. Johns Nebel.jpg
Unsichtbarer Wasserdampf kondensiert zu
sichtbaren Wolken flüssiger Regentropfen
Flüssigen Zustand Wasser
Fester Zustand Eis
Eigenschaften
Molekularformel H 2 O
Molmasse 18.01528(33)  g / mol
Schmelzpunkt 0,00  °C (273,15  K )
Siedepunkt 99,98 °C (373,13 K)
spezifische Gaskonstante 461,5 J /( kg ·K)
Verdampfungswärme 2,27 MJ /kg
Wärmekapazität bei 300 K 1,864 kJ /(kg·K)

Wasserdampf , Wasserdampf oder Wasserdampf ist die gasförmige Phase von Wasser . Es ist ein Zustand von Wasser innerhalb des hydrosphere . Wasserdampf kann aus dem hergestellt werden , Verdampfen oder Sieden von flüssigem Wasser oder von der Sublimation des Eises . Wasserdampf ist wie die meisten Bestandteile der Atmosphäre transparent. Unter typischen atmosphärischen Bedingungen wird kontinuierlich Wasserdampf durch Verdunstung erzeugt und durch Kondensation entfernt . Es ist weniger dicht als die meisten anderen Bestandteile von Luft und AuslösernKonvektionsströme , die zu Wolken führen können.

Als Bestandteil der Hydrosphäre und des Wasserkreislaufs der Erde ist es besonders häufig in der Erdatmosphäre vorhanden , wo es als Treibhausgas und Erwärmungsrückkopplung wirkt und mehr zum Gesamttreibhauseffekt beiträgt als nicht kondensierbare Gase wie Kohlendioxid und Methan . Die Verwendung von Wasserdampf als Dampf ist seit der industriellen Revolution für das Kochen und als Hauptbestandteil in Energieerzeugungs- und Transportsystemen wichtig .

Wasserdampf ist ein relativ häufiger atmosphärischer Bestandteil, der sogar in der Sonnenatmosphäre sowie auf jedem Planeten im Sonnensystem und vielen astronomischen Objekten einschließlich natürlicher Satelliten , Kometen und sogar großer Asteroiden vorhanden ist . Ebenso würde der Nachweis von extrasolarem Wasserdampf auf eine ähnliche Verteilung in anderen Planetensystemen hinweisen. Wasserdampf ist insofern von Bedeutung, als er bei einigen planetarischen Massenobjekten indirekte Beweise für die Anwesenheit von außerirdischem flüssigem Wasser sein kann.

Eigenschaften

Verdunstung

Immer wenn ein Wassermolekül eine Oberfläche verlässt und in ein umgebendes Gas diffundiert, spricht man von Verdampfung . Jedes einzelne Wassermolekül, das zwischen einem stärker assoziierten (flüssigen) und einem weniger assoziierten (Dampf/Gas) Zustand übergeht, tut dies durch die Aufnahme oder Abgabe von kinetischer Energie . Die aggregierte Messung dieser kinetischen Energieübertragung wird als thermische Energie definiert und tritt nur auf, wenn die Temperatur der Wassermoleküle unterschiedlich ist. Flüssiges Wasser, das zu Wasserdampf wird, nimmt in einem Prozess namens Verdunstungskühlung ein Wärmepaket mit sich . Die Menge an Wasserdampf in der Luft bestimmt, wie oft Moleküle an die Oberfläche zurückkehren. Wenn eine Nettoverdunstung auftritt, erfährt der Wasserkörper eine Nettokühlung, die direkt mit dem Wasserverlust verbunden ist.

In den USA misst der National Weather Service an verschiedenen Orten im ganzen Land die tatsächliche Verdunstungsrate von einer standardisierten offenen Wasseroberfläche im Freien. Andere tun es auf der ganzen Welt ähnlich. Die US-Daten werden gesammelt und zu einer jährlichen Verdunstungskarte zusammengestellt. Die Messungen reichen von unter 30 bis über 120 Zoll pro Jahr. Formeln können verwendet werden, um die Verdunstungsrate von einer Wasseroberfläche wie einem Schwimmbad zu berechnen. In einigen Ländern übersteigt die Verdunstungsrate die Niederschlagsrate bei weitem .

Die Verdunstungskühlung wird durch atmosphärische Bedingungen eingeschränkt . Luftfeuchtigkeit ist die Menge an Wasserdampf in der Luft. Der Dampfgehalt der Luft wird mit sogenannten Hygrometern gemessen . Die Messwerte werden normalerweise als spezifische Feuchte oder prozentuale relative Feuchte angegeben . Die Temperaturen der Atmosphäre und der Wasseroberfläche bestimmen den Gleichgewichtsdampfdruck; 100% relative Luftfeuchtigkeit tritt auf, wenn der Partialdruck von Wasserdampf gleich dem Gleichgewichtsdampfdruck ist. Dieser Zustand wird oft als vollständige Sättigung bezeichnet. Die Luftfeuchtigkeit reicht von 0 Gramm pro Kubikmeter in trockener Luft bis 30 Gramm pro Kubikmeter (0,03 Unzen pro Kubikfuß), wenn der Dampf bei 30 °C gesättigt ist.

Bergung von Meteoriten in der Antarktis ( ANSMET )
Elektronenmikroskopische Aufnahme von gefrier geätzten Kapillare Gewebe

Sublimation

Sublimation ist der Prozess, bei dem Wassermoleküle die Eisoberfläche direkt verlassen, ohne zuerst zu flüssigem Wasser zu werden. Sublimation erklärt das langsame Verschwinden von Eis und Schnee mitten im Winter bei Temperaturen, die zu niedrig sind, um zu schmelzen. Die Antarktis zeigt diesen Effekt in einzigartiger Weise, da sie mit Abstand der niederschlagsärmste Kontinent der Erde ist. Infolgedessen gibt es große Gebiete, in denen tausendjährige Schneeschichten sublimiert sind und alle nicht flüchtigen Materialien zurücklassen, die sie enthalten haben. Dies ist für bestimmte wissenschaftliche Disziplinen äußerst wertvoll, ein dramatisches Beispiel ist die Sammlung von Meteoriten , die in beispielloser Zahl und in ausgezeichnetem Erhaltungszustand freigelegt wurden.

Sublimation ist wichtig bei der Vorbereitung bestimmter Klassen biologischer Proben für die Rasterelektronenmikroskopie . Typischerweise werden die Proben durch Kryofixierung und Gefrierbruch präpariert , wonach die gebrochene Oberfläche gefriergeätzt und durch Vakuumeinwirkung erodiert wird, bis sie den erforderlichen Detailgrad zeigt. Diese Technik kann Proteinmoleküle, Organellenstrukturen und Lipiddoppelschichten mit sehr geringem Verzerrungsgrad darstellen.

Kondensation

Wolken, gebildet durch kondensierten Wasserdampf

Wasserdampf kondensiert nur dann auf einer anderen Oberfläche, wenn diese kühler als die Taupunkttemperatur ist oder wenn das Wasserdampfgleichgewicht in der Luft überschritten wurde. Wenn Wasserdampf auf einer Oberfläche kondensiert, tritt auf dieser Oberfläche eine Nettoerwärmung auf. Das Wassermolekül bringt Wärmeenergie mit sich. Im Gegenzug sinkt die Temperatur der Atmosphäre leicht. In der Atmosphäre erzeugt Kondensation Wolken, Nebel und Niederschlag (normalerweise nur, wenn sie durch Wolkenkondensationskerne begünstigt wird ). Der Taupunkt eines Luftpakets ist die Temperatur, auf die es abkühlen muss, bevor der Wasserdampf in der Luft zu kondensieren beginnt. Kondensation in der Atmosphäre bildet Wolkentröpfchen.

Außerdem tritt eine Nettokondensation von Wasserdampf auf Oberflächen auf, wenn die Temperatur der Oberfläche bei oder unter der Taupunkttemperatur der Atmosphäre liegt. Die Abscheidung ist ein von der Kondensation getrennter Phasenübergang, der zur direkten Eisbildung aus Wasserdampf führt. Frost und Schnee sind Beispiele für Ablagerungen.

Es gibt mehrere Kühlmechanismen, durch die Kondensation auftritt: 1) Direkter Wärmeverlust durch Leitung oder Strahlung. 2) Kühlung durch Luftdruckabfall, der beim Aufsteigen von Luft auftritt, auch als adiabatische Kühlung bekannt . Luft kann durch Berge, die die Luft nach oben ablenken, durch Konvektion sowie durch Kalt- und Warmfronten angehoben werden. 3) Advektive Kühlung – Kühlung durch horizontale Luftbewegung.

Chemische Reaktionen

Eine Reihe chemischer Reaktionen haben Wasser als Produkt. Finden die Reaktionen bei Temperaturen über dem Taupunkt der umgebenden Luft statt, wird das Wasser als Dampf gebildet und erhöht die lokale Luftfeuchtigkeit, bei Unterschreitung des Taupunktes kommt es zu lokaler Kondensation. Typische Reaktionen, die zur Wasserbildung führen, sind die Verbrennung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen in Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasgemischen oder als Folge von Reaktionen mit Oxidationsmitteln.

In ähnlicher Weise andere chemische oder physikalische Reaktionen können in Gegenwart von Wasserdampf nehmen in neuen Chemikalien resultierende bilden, wie Rost auf Eisen oder Stahl, Polymerisation auftretenden (bestimmte Polyurethanschäume und Cyanacrylat Klebstoffe härten unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit) oder Formularen zu ändern B. wenn wasserfreie Chemikalien genügend Dampf absorbieren können, um eine kristalline Struktur zu bilden oder eine bestehende zu verändern, was manchmal zu charakteristischen Farbänderungen führt, die für die Messung verwendet werden können .

Messung

Die Messung der Wasserdampfmenge in einem Medium kann mit unterschiedlicher Genauigkeit direkt oder aus der Ferne erfolgen. Fernmethoden wie elektromagnetische Absorption sind von Satelliten über planetaren Atmosphären möglich. Direkte Verfahren können elektronische Wandler, befeuchtete Thermometer oder hygroskopische Materialien verwenden, die Änderungen der physikalischen Eigenschaften oder Abmessungen messen.

Mittel Temperaturbereich (°C) Messunsicherheit typische Messfrequenz Systemkosten Anmerkungen
Schlingenpsychrometer Luft -10 bis 50 Niedrig bis mäßig stündlich niedrig
Satellitengestützte Spektroskopie Luft -80 bis 60 niedrig sehr hoch
Kapazitiver Sensor Luft/Gase -40 bis 50 mäßig 2 bis 0,05 Hz Mittel neigt dazu, im Laufe der Zeit gesättigt/kontaminiert zu werden
Gewärmter kapazitiver Sensor Luft/Gase -15 bis 50 moderat bis niedrig 2 bis 0,05 Hz (temperaturabhängig) mittel bis hoch neigt dazu, im Laufe der Zeit gesättigt/kontaminiert zu werden
resistive Sensor Luft/Gase -10 bis 50 mäßig 60 Sekunden Mittel anfällig für Verunreinigungen
Lithiumchlorid- Tauzelle Luft -30 bis 50 mäßig kontinuierlich Mittel siehe Tauzelle
Kobalt(II)-chlorid Luft/Gase 0 bis 50 hoch 5 Minuten sehr niedrig oft verwendet in Feuchtigkeitsanzeigekarte
Absorptionsspektroskopie Luft/Gase mäßig hoch
Aluminiumoxid Luft/Gase mäßig Mittel siehe Feuchteanalyse
Siliziumoxid Luft/Gase mäßig Mittel siehe Feuchteanalyse
Piezoelektrische Sorption Luft/Gase mäßig Mittel siehe Feuchteanalyse
Elektrolyt Luft/Gase mäßig Mittel siehe Feuchteanalyse
Haarspannung Luft 0 bis 40 hoch kontinuierlich niedrig bis mittel Beeinflusst von der Temperatur. Beeinträchtigt durch längere hohe Konzentrationen
Nephelometer Luft/andere Gase niedrig sehr hoch
Haut des Goldschlägers (Kuh-Peritoneum) Luft -20 bis 30 moderat (mit Korrekturen) langsam, langsamer bei niedrigeren Temperaturen niedrig ref:WMO Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation No. 8 2006, (Seiten 1.12–1)
Lyman-alpha Hochfrequenz hoch http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Erfordert häufige Kalibrierung
Gravimetrisches Hygrometer sehr niedrig sehr hoch oft als Primärquelle bezeichnet, nationale unabhängige Standards, die in den USA, Großbritannien, der EU und Japan entwickelt wurden
Mittel Temperaturbereich (°C) Messunsicherheit typische Messfrequenz Systemkosten Anmerkungen

Einfluss auf die Luftdichte

Wasserdampf ist leichter oder weniger dicht als trockene Luft . Bei äquivalenten Temperaturen ist es schwimmfähig gegenüber trockener Luft, wobei die Dichte trockener Luft bei Normtemperatur und -druck (273,15 K, 101,325 kPa) 1,27 g/L beträgt und Wasserdampf bei Normtemperatur einen Dampfdruck von 0,6 kPa hat und die viel geringere Dichte von 0,0048 g/L.

Berechnungen

Taupunkt.jpg

Berechnungen der Wasserdampf- und Trockenluftdichte bei 0 °C:

  • Die Molmasse von Wasser beträgt 18,02 g/mol , berechnet aus der Summe der Atommassen seiner Atome .
  • Die durchschnittliche Molmasse der Luft (ca. 78 % Stickstoff, N 2 ; 21 % Sauerstoff, O 2 ; 1 % sonstige Gase) beträgt 28,57 g/mol bei Standardtemperatur und -druck ( STP ).
  • Gemäß dem Gesetz von Avogadro und dem idealen Gasgesetz hat feuchte Luft eine geringere Dichte als trockene Luft. Bei max. Sättigung (dh rel. Feuchte = 100% bei 0 °C) sinkt die Dichte auf 28,51 g/mol.
  • STP-Bedingungen implizieren eine Temperatur von 0 °C, bei der die Fähigkeit von Wasser, Dampf zu werden, stark eingeschränkt ist. Seine Konzentration in der Luft ist bei 0 °C sehr gering. Die rote Linie im Diagramm rechts ist die maximale Wasserdampfkonzentration, die bei einer bestimmten Temperatur erwartet wird. Die Wasserdampfkonzentration nimmt mit steigender Temperatur deutlich zu und geht bei 100 °C gegen 100 % ( Wasserdampf , reiner Wasserdampf). Der Dichteunterschied zwischen Luft und Wasserdampf würde jedoch weiterhin bestehen (0,598 vs. 1,27 g/l).

Bei gleichen Temperaturen

Bei der gleichen Temperatur ist eine trockene Luftsäule dichter oder schwerer als eine Luftsäule, die Wasserdampf enthält, wobei die Molmasse des zweiatomigen Stickstoffs und des zweiatomigen Sauerstoffs beide größer ist als die Molmasse von Wasser. Somit sinkt jedes Volumen trockener Luft, wenn es in ein größeres Volumen feuchter Luft eingebracht wird. Außerdem wird ein Volumen feuchter Luft aufsteigen oder aufschwimmen, wenn es in einem größeren Bereich trockener Luft platziert wird. Mit steigender Temperatur steigt der Wasserdampfanteil in der Luft und der Auftrieb nimmt zu. Die Zunahme des Auftriebs kann erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphäre haben und starke, feuchtigkeitsreiche, aufsteigende Luftströmungen verursachen, wenn die Luft- und Meerestemperatur 25 °C oder mehr erreicht. Dieses Phänomen stellt eine bedeutende Triebkraft für zyklonische und antizyklonische Wettersysteme (Taifune und Hurrikane) dar.

Atmung und Atmung

Wasserdampf ist ein Nebenprodukt der Atmung bei Pflanzen und Tieren. Sein Beitrag zum Druck nimmt mit zunehmender Konzentration zu. Sein Partialdruckbeitrag zum Luftdruck erhöht sich und senkt den Partialdruckbeitrag der anderen atmosphärischen Gase (Daltonsches Gesetz) . Der Gesamtluftdruck muss konstant bleiben. Das Vorhandensein von Wasserdampf in der Luft verdünnt oder verdrängt auf natürliche Weise die anderen Luftkomponenten mit zunehmender Konzentration.

Dies kann sich auf die Atmung auswirken. In sehr warmer Luft (35 °C) ist der Wasserdampfanteil groß genug, um die im feuchten Dschungel oder in schlecht belüfteten Gebäuden auftretende stickige Luft zu erzeugen.

Heben von Gas

Wasserdampf hat eine geringere Dichte als Luft und ist daher in Luft schwimmfähig , hat aber einen niedrigeren Dampfdruck als Luft. Bei der Verwendung von Wasserdampf als Traggas durch ein thermisches Luftschiff wird der Wasserdampf zu Dampf erhitzt, so dass sein Dampfdruck größer ist als der umgebende Luftdruck, um die Form eines theoretischen "Dampfballons" beizubehalten, der ca 60% der Auftrieb von Helium und der doppelte von Heißluft.

Allgemeine Diskussion

Die Wasserdampfmenge in einer Atmosphäre wird durch die Beschränkungen der Partialdrücke und der Temperatur eingeschränkt. Taupunkttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit dienen als Richtlinien für den Prozess des Wasserdampfes im Wasserkreislauf . Energiezufuhr, wie zum Beispiel Sonnenlicht, kann mehr Verdunstung auf einer Meeresoberfläche oder mehr Sublimation auf einem Eisbrocken auf einem Berg auslösen. Das Gleichgewicht zwischen Kondensation und Verdampfung ergibt die Menge, die als Dampfpartialdruck bezeichnet wird .

Der maximale Partialdruck ( Sättigungsdruck ) von Wasserdampf in Luft variiert mit der Temperatur des Luft-Wasserdampf-Gemischs. Für diese Größe existieren verschiedene empirische Formeln; die am häufigsten verwendete Referenzformel ist die Goff-Gratch-Gleichung für den SVP über flüssigem Wasser unter null Grad Celsius:

wobei T , die Temperatur der feuchten Luft, in Kelvin und p in Millibar ( Hektopascal ) angegeben ist.

Die Formel gilt von etwa −50 bis 102 °C; es gibt jedoch eine sehr begrenzte Anzahl von Messungen des Dampfdrucks von Wasser über unterkühltem flüssigem Wasser. Es gibt eine Reihe anderer Formeln, die verwendet werden können.

Unter bestimmten Bedingungen, z. B. wenn die Siedetemperatur von Wasser erreicht wird, tritt bei normalen atmosphärischen Bedingungen immer eine Nettoverdampfung auf, unabhängig vom Prozentsatz der relativen Luftfeuchtigkeit. Dieser sofortige Prozess wird riesige Mengen an Wasserdampf in eine kühlere Atmosphäre vertreiben.

Die ausgeatmete Luft befindet sich bei Körpertemperatur fast vollständig im Gleichgewicht mit Wasserdampf. In der kalten Luft kondensiert der ausgeatmete Dampf schnell und zeigt sich als Nebel oder Nebel von Wassertröpfchen und als Kondenswasser oder Reif auf Oberflächen. Das gewaltsame Kondensieren dieser Wassertröpfchen aus der Ausatemluft ist die Grundlage für das Ausatemkondensat , ein sich entwickelnder medizinischer Diagnosetest.

Die Kontrolle von Wasserdampf in der Luft ist ein zentrales Anliegen in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsbranche (HLK). Die thermische Behaglichkeit hängt von den feuchten Luftverhältnissen ab. Nicht-menschliche Komfortsituationen werden als Kühlung bezeichnet und werden auch durch Wasserdampf beeinflusst. Zum Beispiel verwenden viele Lebensmittelgeschäfte, wie Supermärkte, offene Kühlschränke oder Lebensmittelkisten , die den Wasserdampfdruck erheblich senken können (die Luftfeuchtigkeit senken). Diese Praxis bietet mehrere Vorteile sowie Probleme.

In der Erdatmosphäre

Beweise für steigende Mengen an stratosphärischem Wasserdampf im Laufe der Zeit in Boulder, Colorado.

Gasförmiges Wasser ist ein kleiner, aber umweltrelevanter Bestandteil der Atmosphäre . Der Wasserdampfanteil in der Oberflächenluft variiert von 0,01 % bei -42 °C (-44 °F) bis 4,24 % bei einem Taupunkt von 30 °C (86 °F). Über 99 % des atmosphärischen Wassers liegt in Form von Dampf und nicht in Form von flüssigem Wasser oder Eis vor, und ungefähr 99,13 % des Wasserdampfs sind in der Troposphäre enthalten . Die Kondensation von Wasserdampf zur Flüssig- oder Eisphase ist für Wolken , Regen, Schnee und andere Niederschläge verantwortlich , die alle zu den wichtigsten Elementen unseres Wetters zählen. Weniger offensichtlich ist die latente Verdampfungswärme , die bei jeder Kondensation an die Atmosphäre abgegeben wird, einer der wichtigsten Begriffe im atmosphärischen Energiehaushalt sowohl auf lokaler als auch auf globaler Ebene. So ist beispielsweise die Freisetzung latenter Wärme bei atmosphärischer Konvektion direkt für den Antrieb von zerstörerischen Stürmen wie tropischen Wirbelstürmen und schweren Gewittern verantwortlich . Wasserdampf ist aufgrund des Vorhandenseins der Hydroxylbindung , die im Infraroten stark absorbiert, ein wichtiges Treibhausgas .

Wasserdampf ist das „Arbeitsmedium“ des atmosphärischen thermodynamischen Motors, der die Wärmeenergie der Sonneneinstrahlung in mechanische Energie in Form von Winden umwandelt. Die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie erfordert ein oberes und ein unteres Temperaturniveau sowie ein Arbeitsmedium, das zwischen beiden hin- und herpendelt. Das obere Temperaturniveau wird durch den Boden bzw. die Wasseroberfläche der Erde vorgegeben, die die einfallende Sonnenstrahlung absorbiert und das verdunstende Wasser erwärmt. Die feuchte und warme Luft am Boden ist leichter als ihre Umgebung und steigt bis zur oberen Grenze der Troposphäre auf. Dort strahlen die Wassermoleküle ihre Wärmeenergie in den Weltraum ab und kühlen die umgebende Luft ab. Die obere Atmosphäre bildet das untere Temperaturniveau des atmosphärischen thermodynamischen Motors. Der Wasserdampf in der nun kalten Luft kondensiert und fällt in Form von Regen oder Schnee zu Boden. Auch die nun schwerere kalte und trockene Luft sinkt auf den Boden; Der atmosphärische thermodynamische Motor baut so eine vertikale Konvektion auf, die Wärme vom Boden in die obere Atmosphäre transportiert, wo die Wassermoleküle sie in den Weltraum abstrahlen können. Durch die Erdrotation und die daraus resultierenden Coriolis-Kräfte wird diese vertikale atmosphärische Konvektion auch in eine horizontale Konvektion umgewandelt, in Form von Zyklonen und Antizyklonen, die das über den Ozeanen verdunstete Wasser ins Innere der Kontinente transportieren und so das Wachstum der Vegetation ermöglichen .

Wasser in der Erdatmosphäre liegt nicht nur unter seinem Siedepunkt (100 °C), sondern in der Höhe sinkt es aufgrund der stark polaren Anziehungskraft des Wassers unter seinen Gefrierpunkt (0 °C) . In Kombination mit seiner Menge hat Wasserdampf dann einen relevanten Taupunkt und Frostpunkt , anders als zB Kohlendioxid und Methan. Wasserdampf hat somit eine Skalenhöhe, die einen Bruchteil der Massenatmosphäre beträgt , da das Wasser kondensiert und hauptsächlich in der Troposphäre , der untersten Schicht der Atmosphäre, austritt . Kohlendioxid ( CO
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) und Methan , die in der Atmosphäre gut vermischt sind, neigen dazu, über Wasserdampf zu steigen. Die Absorption und Emission beider Verbindungen tragen zur Emission der Erde in den Weltraum und damit zum planetarischen Treibhauseffekt bei . Dieser Treibhausantrieb ist durch unterschiedliche spektrale Merkmale gegenüber Wasserdampf direkt beobachtbar und steigt mit steigendem CO . an
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Ebenen. Umgekehrt wirkt sich die Zugabe von Wasserdampf in großen Höhen überproportional aus, weshalb der Flugverkehr überproportional wärmend wirkt. Die Oxidation von Methan ist auch eine Hauptquelle für Wasserdampf in der Stratosphäre und trägt etwa 15 % zum globalen Erwärmungseffekt von Methan bei.

Ohne andere Treibhausgase würde der Wasserdampf der Erde an der Oberfläche kondensieren; dies ist wahrscheinlich passiert , möglicherweise mehr als einmal. Wissenschaftler unterscheiden daher zwischen nicht kondensierbaren (treibenden) und kondensierbaren (getriebenen) Treibhausgasen, also der oben genannten Wasserdampfrückkopplung.

Nebel und Wolken bilden sich durch Kondensation um Wolkenkondensationskerne . Ohne Kerne findet die Kondensation erst bei viel niedrigeren Temperaturen statt. Bei anhaltender Kondensation oder Ablagerung bilden sich Wolkentröpfchen oder Schneeflocken, die bei Erreichen einer kritischen Masse ausfallen .

Die atmosphärische Wasserdampfkonzentration variiert zwischen Ort und Zeit stark, von 10 ppmv in der kältesten Luft bis zu 5 % (50 000 ppmv) in feuchter tropischer Luft und kann mit einer Kombination aus Landbeobachtungen, Wetterballons und Satelliten gemessen werden. Der Wassergehalt der gesamten Atmosphäre wird durch Niederschläge ständig aufgebraucht. Gleichzeitig wird es ständig durch Verdunstung aufgefüllt, vor allem aus Ozeanen, Seen, Flüssen und feuchter Erde. Andere Quellen für atmosphärisches Wasser sind Verbrennung, Atmung, Vulkanausbrüche, die Transpiration von Pflanzen und verschiedene andere biologische und geologische Prozesse. Zu jeder Zeit befinden sich etwa 1,29 x 10 16 Liter (3,4 x 10 15 gal.) Wasser in der Atmosphäre. Die Atmosphäre enthält 1 Teil von 2500 des Süßwassers und 1 Teil von 100.000 des gesamten Wassers auf der Erde. Der mittlere globale Wasserdampfgehalt der Atmosphäre reicht in etwa aus, um die Erdoberfläche mit einer etwa 25 mm tiefen Schicht flüssigen Wassers zu bedecken. Der mittlere jährliche Niederschlag für den Planeten beträgt etwa 1 Meter, ein Vergleich, der einen schnellen Wasserumsatz in der Luft impliziert – im Durchschnitt beträgt die Verweildauer eines Wassermoleküls in der Troposphäre etwa 9 bis 10 Tage.

Der globale mittlere Wasserdampfanteil beträgt etwa 0,25 % der Masse der Atmosphäre und variiert auch saisonal, was den Beitrag zum Atmosphärendruck zwischen 2,62 hPa im Juli und 2,33 hPa im Dezember betrifft. IPCC AR6 drückt ein mittleres Vertrauen in die Zunahme des Gesamtwasserdampfs von etwa 1-2% pro Jahrzehnt aus; es wird erwartet, dass sie pro °C Erwärmung um etwa 7 % zunehmen wird.

Episoden geothermischer Aktivitäten an der Oberfläche, wie Vulkanausbrüche und Geysire, setzen unterschiedliche Mengen an Wasserdampf in die Atmosphäre frei. Solche Eruptionen können in menschlicher Hinsicht groß sein, und große explosive Eruptionen können außergewöhnlich große Wassermassen außergewöhnlich hoch in die Atmosphäre injizieren, aber als Prozentsatz des gesamten atmosphärischen Wassers ist die Rolle solcher Prozesse trivial. Die relativen Konzentrationen der verschiedenen von Vulkanen ausgestoßenen Gase variieren je nach Standort und je nach Ereignis an einem Standort erheblich. Wasserdampf ist jedoch durchweg das häufigste vulkanische Gas ; in der Regel macht er mehr als 60 % der Gesamtemissionen während einer subaeriellen Eruption aus .

Der atmosphärische Wasserdampfgehalt wird mit verschiedenen Maßen ausgedrückt. Dazu gehören Dampfdruck, spezifische Luftfeuchtigkeit , Mischungsverhältnis, Taupunkttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit .

Radar- und Satellitenbildgebung

Diese Karten zeigen die durchschnittliche Menge an Wasserdampf in einer Atmosphärensäule in einem bestimmten Monat. ( Klicken Sie für mehr Details )
MODIS / Terra globaler Mittelwert des atmosphärischen Wasserdampfs in atm-cm (Zentimeter Wasser in einer atmosphärischen Säule, wenn es kondensiert)

Da Wassermoleküle Mikrowellen und andere Radiowellenfrequenzen absorbieren , dämpft Wasser in der Atmosphäre Radarsignale . Darüber hinaus reflektiert und bricht atmosphärisches Wasser Signale in einem Ausmaß, das davon abhängt, ob es sich um Dampf, Flüssigkeit oder Feststoff handelt.

Im Allgemeinen verlieren Radarsignale zunehmend an Stärke, je weiter sie sich durch die Troposphäre bewegen. Unterschiedliche Frequenzen werden mit unterschiedlichen Raten gedämpft, so dass einige Komponenten der Luft für einige Frequenzen undurchsichtig und für andere transparent sind. Radiowellen, die für Rundfunk und andere Kommunikationszwecke verwendet werden, erfahren den gleichen Effekt.

Wasserdampf reflektiert Radar in geringerem Maße als die anderen beiden Phasen des Wassers. In Form von Tropfen und Eiskristallen wirkt Wasser wie ein Prisma, was es als einzelnes Molekül nicht tut ; Die Existenz von Wasserdampf in der Atmosphäre bewirkt jedoch, dass die Atmosphäre wie ein riesiges Prisma wirkt.

Ein Vergleich von GOES-12- Satellitenbildern zeigt die Verteilung von atmosphärischem Wasserdampf relativ zu den Ozeanen, Wolken und Kontinenten der Erde. Dampf umgibt den Planeten, ist aber ungleichmäßig verteilt. Die rechte Bildschleife zeigt den monatlichen Durchschnitt des Wasserdampfgehalts, wobei die Einheiten in Zentimetern angegeben sind, das ist das ausfällbare Wasser oder die äquivalente Wassermenge, die produziert werden könnte, wenn der gesamte Wasserdampf in der Kolonne kondensiert. Die geringsten Wasserdampfmengen (0 Zentimeter) erscheinen in Gelb und die höchsten Mengen (6 Zentimeter) in Dunkelblau. Bereiche mit fehlenden Daten werden in Grauschattierungen angezeigt. Die Karten basieren auf Daten, die vom Sensor des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) des NASA-Satelliten Aqua gesammelt wurden . Das auffälligste Muster in der Zeitreihe ist der Einfluss jahreszeitlicher Temperaturänderungen und des einfallenden Sonnenlichts auf den Wasserdampf. In den Tropen wackelt im Jahreszeitenwechsel ein Band extrem feuchter Luft nördlich und südlich des Äquators. Dieses Feuchtigkeitsband ist Teil der Intertropischen Konvergenzzone , in der die östlichen Passatwinde von jeder Hemisphäre zusammenlaufen und fast täglich Gewitter und Wolken erzeugen. Weiter vom Äquator entfernt sind die Wasserdampfkonzentrationen in der Sommerhalbkugel hoch und in der Winterhalbkugel niedrig. Ein weiteres Muster, das sich in den Zeitreihen zeigt, ist, dass die Wasserdampfmengen über Landflächen in den Wintermonaten stärker abnehmen als angrenzende Meeresgebiete. Dies liegt vor allem daran, dass die Lufttemperaturen über dem Land im Winter stärker sinken als die Temperaturen über dem Ozean. Wasserdampf kondensiert in kälterer Luft schneller.

Da Wasserdampf Licht im sichtbaren Spektralbereich absorbiert, kann seine Absorption in spektroskopischen Anwendungen (wie DOAS ) verwendet werden, um den Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre zu bestimmen. Dies geschieht operativ, zB von den GOME- Spektrometern an ERS und MetOp . Die schwächeren Wasserdampf-Absorptionslinien im blauen Spektralbereich und weiter ins UV bis zu seiner Dissoziationsgrenze um 243 nm basieren meist auf quantenmechanischen Rechnungen und werden nur teilweise durch Experimente bestätigt.

Blitzerzeugung

Wasserdampf spielt eine Schlüsselrolle bei der Blitzerzeugung in der Atmosphäre. Aus der Wolkenphysik sind Wolken normalerweise die wahren Generatoren statischer Ladung, wie sie in der Erdatmosphäre zu finden ist. Die Fähigkeit von Wolken, große Mengen elektrischer Energie zu speichern, hängt direkt mit der im lokalen System vorhandenen Wasserdampfmenge zusammen.

Die Wasserdampfmenge steuert direkt die Permittivität der Luft. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit ist die statische Entladung schnell und einfach. In Zeiten höherer Luftfeuchtigkeit treten weniger statische Entladungen auf. Permittivität und Kapazität arbeiten Hand in Hand, um die Megawattleistung von Blitzen zu erzeugen.

Nach einer Wolke, beispielsweise den Weg zu einem Blitzgenerator, atmosphärischer Wasserdampf wirkt als eine Substanz (oder gestartet zu werden Isolator ), die die Fähigkeit der Wolke verringert zu entladen seine elektrische Energie. Wenn die Wolke über einen bestimmten Zeitraum weiterhin mehr statische Elektrizität erzeugt und speichert , wird die Barriere, die durch den atmosphärischen Wasserdampf geschaffen wurde, schließlich von der gespeicherten elektrischen potentiellen Energie abgebaut. Diese Energie wird in Form von Blitzen an eine lokale entgegengesetzt geladene Region abgegeben. Die Stärke jeder Entladung steht in direktem Zusammenhang mit der atmosphärischen Permittivität, Kapazität und der Ladungserzeugungsfähigkeit der Quelle.

Außerirdische

Wasserdampf ist im Sonnensystem und damit auch in anderen Planetensystemen weit verbreitet . Seine Signatur wurde in der Atmosphäre der Sonne nachgewiesen und tritt in Sonnenflecken auf . Das Vorhandensein von Wasserdampf wurde in den Atmosphären aller sieben außerirdischen Planeten des Sonnensystems, des Erdmondes und der Monde anderer Planeten nachgewiesen, wenn auch typischerweise nur in Spuren.

Ausbruch des Kryogeysers auf dem Jupitermond Europa (Künstlerkonzept)
Künstlerische Darstellung der Wassersignaturen in Atmosphären von Exoplaneten, die mit Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop nachweisbar sind .

Geologische Formationen wie cryogeysers sind auf der Oberfläche existiert gedacht mehrere Eismonde ausstoßWasserDampf aufgrund tidal Erhitzen und können die Anwesenheit von wesentlichen Mengen an Wasser unter der Oberfläche anzuzeigen. Auf dem Jupitermond Europa wurden Wasserdampfwolken entdeckt, die den Wasserdampfwolken auf dem Saturnmond Enceladus ähneln . Auch in der Stratosphäre von Titan wurden Spuren von Wasserdampf nachgewiesen . Wasserdampf ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphäre zu finden Zwergplaneten , Ceres , die größte Objekt im Asteroidengürtel Der Nachweis unter Verwendung der gemacht wurde Fern-Infrarot - Fähigkeiten des Herschel Space Observatory . Der Befund ist unerwartet, da Kometen , nicht Asteroiden , typischerweise als "Jets und Plumes sprießen" angesehen werden. "Die Linien zwischen Kometen und Asteroiden verschwimmen immer mehr", sagt einer der Wissenschaftler. Wissenschaftler, die den Mars untersuchen, stellen die Hypothese auf, dass Wasser, wenn es sich auf dem Planeten bewegt, dies als Dampf tut.

Die Brillanz von Kometenschweifen kommt hauptsächlich von Wasserdampf. Bei der Annäherung an die Sonne trägt das Eis vieler Kometen Sublime zu Dampf. Wenn Astronomen die Entfernung eines Kometen von der Sonne kennen, können sie den Wassergehalt des Kometen aus seiner Brillanz ableiten.

Wasserdampf wurde auch außerhalb des Sonnensystems bestätigt. Die spektroskopische Analyse von HD 209458 b , einem extrasolaren Planeten im Sternbild Pegasus, liefert den ersten Nachweis von atmosphärischem Wasserdampf außerhalb des Sonnensystems. Bei einem Stern namens CW Leonis wurde festgestellt, dass ein Ring aus riesigen Mengen Wasserdampf den alternden, massereichen Stern umkreist . Ein NASA- Satellit, der Chemikalien in interstellaren Gaswolken untersuchen sollte, machte die Entdeckung mit einem an Bord befindlichen Spektrometer. Höchstwahrscheinlich "wurde der Wasserdampf von den Oberflächen der umkreisenden Kometen verdampft". Andere Exoplaneten mit Anzeichen von Wasserdampf umfassen HAT-P-11b und K2-18b .

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links