Verdunstung

Die Dichte von Wasserdampf in Luft bei Sättigung als Funktion der Temperatur

Bei Verdunstung geht Wasser bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) über. Das Verdunsten von Wasser resultiert daraus, dass die Wassermoleküle alle eine verschiedene Geschwindigkeit haben. Viele Wassermoleküle sind eher langsam, wenige bewegen sich sehr schnell umher. Man spricht hier von der "Boltzmannschen Geschwindigkeitsverteilung". Manche Moleküle sind so schnell, dass sie es schaffen, die Anziehungskraft durch die anderen Wassermoleküle zu überwinden und in die Luft einzutreten. Da so nur die langsameren Moleküle im Wasser zurückbleiben, haben diese eine geringere Bewegungsenergie, also sinkt die Temperatur (denn diese ist ein Maß dafür, welche Bewegungsenergie die Moleküle haben). Deshalb verringert die Verdunstung von Schweiß z.B. auch die Temperatur unserer Haut, was der Grund für das Schwitzen bei hohen Temperaturen ist. Da immer ein gewisser Teil der Wassermoleküle entkommen kann, befindet sich auch immer etwas Wasserdampf in der Luft.

Auch feste Stoffe wie Schnee und Eis zeigen übrigens solches Verhalten, man spricht dann von Sublimation. Deshalb trocknet sogar die (dann gefrorene) Wäsche, wenn man sie im Winter bei trockenen Bedingungen im Freien aufhängt. In Eiskristallen sind die Moleküle aber noch viel fester gebunden als in Wasser, daher geschieht die Sublimation langsamer als die Verdunstung. Wenn die Temperatur von Wasser jedoch so hoch wird, dass der durch die Wassermoleküle verursachte Druck den Luftdruck übersteigt, siedet das Wasser und wird letztlich ganz zu Wasserdampf. Der Siedepunkt von Wasser liegt bei den Druckverhältnissen auf Meeresniveau bei 100°C. Wird der Siedepunkt erreicht und überschritten verkocht die Flüssigkeit. Dabei gehen nicht nur Teilchen an der Oberfläche in den gasförmigen Zustand über wie beim Verdunsten, sondern aus dem ganzen Wasserkörper. Der Siedepunkt ist genau dann erreicht, wenn der Druck des Wasserdampfes allein so groß geworden ist wie der Luftdruck (also was Gewicht der Luft über dem Wasser). Darüber ist der Dampfdruck des Wassers also so groß, dass der Luftdruck es nicht mehr zusammenpressen kann. Somit hängt der Siedepunkt vom Luftdruck und damit von der Höhe ab, in der man sich befindet. Dass nicht sofort alles Wasser auf einen Schlag verdunstet liegt daran, dass dafür sehr viel Energie zugeführt werden muss (welche dann als latente Wärme im Wasserdampf gespeichert ist).

Die Verdunstung ist hauptsächlich abhängig von der Temperatur der Luft und dem Vorhandensein von Wasser am Boden. Bei Erwärmung nimmt die Verdunstung (ohne andere Einflüsse zu berücksichtigen) zu, da mehr Moleküle genügend Energie haben, um das Wasser zu verlassen. Sobald sich ein neues Gleichgewicht zwischen den austretenden und wieder eintretenden Molekülen eingestellt hat, ist der Wasserdampf-Partialdruck (der Anteil des Luftdrucks, der durch den Wasserdampf verursacht wird) höher als vorher. Dieser Zusammenhang ist nicht-linear, wie man an der gekrümmten Kurve oben sehen kann. Jede Erwärmung um zusätzliche 10 Grad führt ungefähr zu einer Verdopplung des Wasserdampfs in der Luft.

Der Wasserdampf- bzw. Feuchtegehalt der Luft kann solange zunehmen, bis der Sättigungspunkt erreicht ist. Dann ist eine relative Feuchte von 100% erreicht. Nur bei Vorhandensein von Wasser kommt es zu einer tatsächlichen Verdunstung. Ist kein Wasser vorhanden, kann man eine potentielle Verdunstung (also die theoretisch mögliche Verdunstung) definieren, die sich aus der Lufttemperatur und dem Wasserdampfgehalt der Luft ableitet. In ariden Landgebieten ist die potentielle Verdunstung deutlich höher als die tatsächliche Verdunstung, über Ozeanen sind beide nahezu gleich. Die die tatsächliche Feuchte in der Atmosphäre davon abhängt, wie der Wasserdampf in der Luft verteilt wird, haben auch die Beschaffenheit der Erdoberfläche und die Eigenschaften der Luft (z.B. die Temperaturänderung mit der Höhe) einen Einfluss auf die Verdunstungsrate. Man könnte z.B. denken, dass die Verdunstung bei gleicher Temperatur über dem Ozean immer stärker wäre als über Land, da dort immer ausreichend Wasser zur Verfügung steht. Weil die Verdunstung aber auch davon abhängt, wie leicht das verdunstete Wasser durch Luftwirbel nach oben abgeführt werden kann, stimmt dies so allgemein nicht. Insbesondere über rauen Oberflächen wie Bergen oder Waldgebieten werden effektivere Wirbel erzeugt als über dem relativ glatten Wasser.

Die Verdunstung erfolgt in der Natur an Oberflächen von Wasserkörpern, Böden oder Pflanzen. Dabei wird zwischen Evaporation (Verdunstung von offenen Wasserflächen oder der Landoberfläche) und Transpiration (Abgabe von Wasserdampf durch die Spaltöffnungen der Pflanzen) unterschieden. Beide Vorgänge zusammen werden auch als Evapotranspiration bezeichnet.

Die Verdunstung hat zum einen eine große Bedeutung für den globalen und den regionalen Wasserkreislauf. So hält die vor allem in den Subtropen gewaltige Verdunstung von Ozeanwasser den Wasserkreislauf zwischen Land und Meer aufrecht. Der Kreislauf von Verdunstung, Kondensation und Wolkenbildung und anschließendem Niederschlag kann sich aber auch regional und über dem Land abspielen, z.B. über einem größeren Waldgebiet. Zum anderen spielt die Verdunstung eine wichtige Rolle für den Energietransport in der Atmosphäre. Die bei der Verdunstung der Umgebung entzogene Energie verbleibt im Wasserdampf als latente ("verborgene") Energie. Steigt Luft auf, kühlt sie sich ab, wodurch der Wasserdampf teilweise kondensiert. Dabei wird die latente Energie wieder frei gesetzt und erwärmt die Umgebung. Das spielt z.B. bei der Entwicklung von Hurrikanen eine wichtige Rolle.