Sättigung bedeutet nicht Stillstand.
Über einer Wasser- oder Eisoberfläche wechseln ständig H₂O-Moleküle zwischen kondensierter und gasförmiger Phase. Im Sättigungsgleichgewicht sind Verdampfungs- beziehungsweise Sublimationsrate und Kondensations- beziehungsweise Resublimationsrate im Mittel gleich.
Der Sättigungsdampfdruck ist deshalb keine „Speicherkapazität der Luft“, sondern eine thermodynamische Eigenschaft des Phasengleichgewichts bei gegebener Temperatur.
Wärmeres Wasser besitzt einen deutlich höheren Gleichgewichts-Dampfdruck.
Mit steigender Temperatur verschiebt sich die molekulare Energieverteilung. Ein größerer Anteil der Moleküle kann die kondensierte Phase verlassen. Der dafür erforderliche Gleichgewichts- Dampfdruck steigt stark und nichtlinear mit T.
Einige Referenzwerte über flüssigem Wasser:
Niedriger Sättigungsdampfdruck nahe dem Gefrierpunkt.
Fast viermal so groß wie bei 0 °C.
Die Kurve wird mit steigender Temperatur immer steiler.
Die Steilheit folgt aus Phasenenergie und idealem Wasserdampf.
Unter den für die Atmosphäre üblichen Näherungen — Wasserdampf ideal, Volumen der kondensierten Phase gegenüber dem Dampf vernachlässigbar — ergibt sich näherungsweise:
Für Flüssigwasser ist L näherungsweise die Verdampfungsenthalpie, über Eis die Sublimationsenthalpie. Die Gleichung erklärt, warum die relative Steigung von es(T) in meteorologisch relevanten Temperaturen mehrere Prozent pro Kelvin beträgt.
Die oft genannte Größenordnung von etwa 6–7 % pro Kelvin ist eine lokale Näherung für typische untere Atmosphärentemperaturen. Die exakte relative Steigung ändert sich mit der Temperatur.
Unter 0 °C existieren zwei relevante Sättigungskurven.
Über unterkühltem flüssigem Wasser gilt esw(T), über Eis esi(T). Für T < 0 °C ist:
Das ist für Mischphasenwolken entscheidend: Ein Dampfdruck kann gleichzeitig unterhalb der Sättigung über Wasser, aber oberhalb der Sättigung über Eis liegen. Diese Differenz unterstützt das Wachstum von Eiskristallen auf Kosten flüssiger Tröpfchen.
Temperatur steuert es; der Gesamtdruck steuert nur seinen Anteil am Gasgemisch.
Das Lab verwendet Buck-Näherungen für Sättigung über Wasser und Eis. Der Regler für den Gesamtdruck p verändert nicht es(T), sondern nur den zugehörigen Sättigungs-Stoffmengenanteil xvs = es/p. Unter 0 °C werden beide Sättigungskurven ausgewiesen.
es(T) ist primär eine Temperaturfunktion — nicht eine Funktion des Luftdrucks.
Im idealisierten meteorologischen Modell wird der Sättigungsdampfdruck durch die Temperatur und die kondensierte Referenzphase bestimmt. Ob der Gesamtdruck 800 oder 1000 hPa beträgt, ändert es(T) nicht.
Der gleiche Sättigungsdampfdruck entspricht bei geringerem Gesamtdruck allerdings einem größeren Stoffmengenanteil es/p. Kleine reale Nichtidealitäts- und Enhancement-Faktoren werden hier bewusst vernachlässigt.
Jetzt existieren beide Größen für die Feuchtediagnostik.
M3K3 lieferte den aktuellen Dampfdruck e. M3K4 liefert die temperaturabhängige Grenze es(T). Erst der Vergleich beider Größen beantwortet, wie nahe die Luft am Sättigungszustand liegt.
M3K5 macht aus genau diesem Verhältnis die relative Feuchte.
Vier zentrale Abgrenzungen.
Als Bild ist das irreführend. Physikalisch steigt der Gleichgewichts-Sättigungsdampfdruck stark mit der Temperatur.
Nein. Im idealisierten meteorologischen Modell ist e_s primär eine Funktion von Temperatur und Referenzphase.
Nein. Sättigung über unterkühltem Wasser und über Eis liefert unterschiedliche Gleichgewichtsdampfdrucke.
Nein. Sättigung ist ein dynamisches Gleichgewicht gegenläufiger Phasenübergänge.
es(T) ist die thermodynamische Grenzkurve des Wasserdampfs.
e_s kennzeichnet dynamisches Phasengleichgewicht.
e_s steigt stark und nichtlinear mit T.
Die Steigung folgt aus latenter Energie und R_v.
Unter 0 °C ist e_si kleiner als e_sw.
Der Gesamtdruck ändert primär den Anteil e_s/p, nicht e_s selbst.
M3K5 vergleicht e mit e_s(T) und definiert relative Feuchte.
Cross-References
Wie groß ist der aktuelle Dampfdruck relativ zur temperaturabhängigen Sättigungsgrenze?