Anders als N₂ oder O₂ schwankt der Wasserdampfanteil stark.
Die Hauptbestandteile trockener Luft ändern sich in der unteren Atmosphäre nur wenig. Wasserdampf dagegen wird ständig durch Verdunstung, Transport, Kondensation und Niederschlag zu- oder abgeführt. Sein Anteil kann daher räumlich und zeitlich um Größenordnungen variieren.
In warmer, feuchter Luft nahe der Oberfläche kann der Volumen- beziehungsweise Stoffmengenanteil mehrere Prozent erreichen; in sehr kalter Luft ist er wesentlich kleiner. Eine feste „Standardkonzentration“ von Wasserdampf gibt es deshalb nicht.
H₂O ist leichter als das mittlere Molekül trockener Luft.
Ein Wassermolekül besitzt eine molare Masse von ungefähr
während die mittlere molare Masse trockener Luft ungefähr
beträgt. Ersetzt Wasserdampf bei gleichem Gesamtdruck und gleicher Temperatur einen Teil der trockenen Luft, sinkt daher die mittlere molare Masse des Gasgemischs.
Geringere molare Masse bedeutet größere spezifische Gaskonstante.
Für ein ideales Gas gilt zwischen universeller und spezifischer Gaskonstante:
Für Wasserdampf folgt damit näherungsweise:
Zum Vergleich verwendet M01 für trockene Luft ungefähr Rd ≈ 287,05 J/(kg·K). Der Unterschied entsteht nicht aus einer anderen „Gasphysik“, sondern aus der unterschiedlichen Masse pro Mol.
Die mittlere molare Masse verschiebt sich mit dem Wasserdampfanteil.
Für ein vereinfachtes binäres Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf mit dem Wasserdampf-Stoffmengenanteil xv gilt:
und daraus:
Bei gleichem p und T ist feuchtere Luft deshalb geringfügig weniger dicht als vollständig trockene Luft. Dieses Resultat wird später für Auftrieb und Konvektion relevant.
Wasserdampfanteil verändern — mittlere molare Masse und Dichte beobachten.
Das Lab behandelt Luft als ideales binäres Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf. Gesteuert werden Temperatur, Gesamtdruck und der Wasserdampf-Stoffmengenanteil xv. Der Einfluss von Sättigung wird bewusst noch nicht geprüft; er folgt ab M3K4.
Wasserdampf selbst ist optisch unsichtbar.
Der weiße „Dampf“ über einem Wasserkocher ist nicht gasförmiges H₂O. Direkt am Austritt kann unsichtbarer Wasserdampf vorhanden sein; die sichtbare weiße Fahne besteht überwiegend aus kleinen kondensierten Wassertröpfchen.
Dasselbe gilt meteorologisch: klare Luft kann viel Wasserdampf enthalten, während Wolken und Nebel gerade anzeigen, dass ein Teil des Wassers die gasförmige Phase verlassen hat.
Wasserdampf folgt Quellen, Transport und Phasenwechseln.
Die größten Quellen liegen an der Oberfläche: Ozeane, Seen, feuchte Böden und Vegetation. Turbulenz und großskalige Strömung transportieren den Dampf horizontal und vertikal. Kondensation, Wolkenbildung und Niederschlag entfernen ihn wieder aus der Gasphase.
Temperatur ist dabei zentral, aber nicht weil Luft ein starres „Fassungsvermögen“ besitzt. Vielmehr verändert Temperatur den Gleichgewichtsdampfdruck des Wassers. Genau diese thermodynamische Grenze wird in M3K4 quantitativ behandelt.
Vier typische Denkfehler.
Bei gleichem p und T ist das Gegenteil der Fall: H₂O hat eine kleinere molare Masse als die mittlere trockene Luft.
Nein. Sichtbar sind kondensierte Tröpfchen; gasförmiger Wasserdampf ist unsichtbar.
Nein. Der relevante Grenzzustand ist thermodynamische Sättigung und hängt vor allem von Temperatur ab.
Nein. Ob Sättigung erreicht ist, lässt sich erst durch Vergleich mit dem temperaturabhängigen Sättigungszustand entscheiden.
Wasserdampf verändert die Zusammensetzung und Dichte der Luft.
Der H₂O-Anteil ist keine konstante Atmosphärenkomponente.
Mv ≈ 18,015 g/mol liegt deutlich unter Md ≈ 28,965 g/mol.
Die spezifische Gaskonstante von Wasserdampf ist mit ≈461,5 J/(kg·K) entsprechend größer.
Bei gleichem p und T wird ein wasserdampfhaltiges Gemisch weniger dicht.
Wasserdampf ist gasförmig und optisch unsichtbar.
M3K3 formalisiert den Dampfdruck als Druckanteil des Wasserdampfs.
Cross-References
Wie lässt sich der Druckanteil des Wasserdampfs im atmosphärischen Gasgemisch formal beschreiben?