Nebelkondensation tritt auf, wenn feuchtigkeitsgesättigte Luft abkühlt und infolge Unterschreitung des Taupunkts der gasförmige Wasserdampf zu Nebeltröpfchen umgesetzt wird.
mini|hochkant=1.5|Passatwolken vor El Hierro, La Palma, La Gomera, Teneriffa und Gran Canaria (von West nach Ost) mini|hochkant=1.5|Passatwolken über der Cumbre Nueva (1.400 m), La Palma
Der Begriff Nebelkondensation bezeichnet auch die Wassergewinnung durch die geförderte Kondensation von Wasserdampf mittels Nebelkollektoren, auch Nebelfänger oder Nebelnetze genannt (auch wenn es sich dabei streng genommen um Kondensation zu Tau-Beschlag an Gegenständen oder um das „Auskämmen“ von bereits kondensierten Nebeltröpfchen handelt). Die Wassergewinnung durch Nebelkondensation wird heute in vielen Ländern zur Wiederaufforstung durch Brand oder Wassermangel geschädigter Gebiete sowie zur Gewinnung von Trinkwasser genutzt. Forschung und Erfahrung beim Einsatz von Nebelkollektoren haben deren Wirksamkeit zur Wasserausbeute deutlich gesteigert.
Prozess der Nebelkondensation Tritt kalte Meeresströmung vor einer Küste an die Meeresoberfläche, dann kondensiert dort die bei auflandigen Winden transportierte Luftfeuchtigkeit aufgrund der Taupunkt-Unterschreitung und wird zu Wassernebel. Aufgrund fehlender Thermik (wegen nächtlicher Abkühlung) bleibt der Nebel bodennah und die Feuchte regnet nicht ab. Die Nebelbildung verstärkt sich, wenn derart dampfgesättigte Luftmassen durch Wind getrieben einen Hang hinaufsteigen und sich dabei um ca. 1 °C pro 100 m abkühlen („trockenadiabatischer Temperaturgradient“), wie die Passatwolken, die gegen die Berge der Kanarischen Inseln branden.
An Berghängen bilden sich in subtropischen und tropischen Gebirgen Nebelwälder. In Extremfällen sind die Luftmassen vom Meer, wenn sie das Land erreichen, so wasserarm und trocken, dass unmittelbar an der Küste Nebelwüsten – wie beispielsweise die Namib-Wüste Süd-West-Afrikas oder die Atacamawüste Südamerikas – entstehen.
An Kristallisationskeimen oder Kristallisationskernen kann sich der kondensierende Wasserdampf anlegen und geht damit wesentlich leichter in den flüssigen Aggregatzustand über, als es ohne Kristallisationskeime der Fall wäre.
Einer der effektivsten in der Natur vorkommenden Nebelsammler ist die Kanarische Kiefer mit ihren langen Nadeln. Diese sind mit mikroskopisch feinen Widerhaken versehen, die als Kristallisationskeime auf die Nebeltropfen wirken und damit gegenüber anderen Kiefernarten eine deutlich größere Nebelausbeute besitzen.
Für die Wirksamkeit der Nebelausbeute der vom Menschen eingesetzten Nebelkollektoren zur Aufnahme der Wassertropfen aus dem Nebel ist die Wahl der verwendeten Materialien, der Maschenweiten und Gewebeformen (Noppen-, Poren- und Wabenstrukturen) von Bedeutung und damit Gegenstand von Erfahrung und Forschung.
Nutzung durch Pflanzen Nebelpflanzen werden jene Pflanzen genannt, die mithilfe ihrer Oberflächenstruktur (mit Trichomen) Nebeltröpfchen aus Nebel auskämmen oder die Tauentstehung (durch Bildung von Kondensationskeimen) fördern können, beispielsweise Tillandsien, einige Crassula-Arten, an Baumästen hängende Bartflechten oder Oxalis gigantea. Je mehr Trichome oder je stärker verzweigte Trichome vorhanden sind, desto höher ist die Lichtbrechung an der Pflanzenoberfläche, was zu einem reduzierten Lichteinfall, silbrig erscheinenden Blättern und gleichzeitig reduzierter Temperatur in den betreffenden photosynthetisch aktiven Organen führt. Die reduzierte Temperatur führt zur Unterschreitung des Taupunkts in der vorbeiströmenden wasserdampfgesättigten Luft, an den feinen Härchen bleiben bereits auskondensierte Nebeltröpfchen hängen.Jörg S. Pfadenhauer, Frank A. Klötzli: Vegetation der Erde. Grundlagen, Ökologie, Verbreitung. 2014, ISBN 978-3-642-41950-8, S. 220ff. Der Effekt sollte aber nicht mit der Ausscheidung von Wasser aus Blättern (sogenannter Guttation) verwechselt werden. Weitere Beispiele:
Kanarische Kiefer mini|Kanarische Kiefer, Caldera de Taburiente, La Palma mini|Tautropfen an Kiefernadeln im Nebel in Puntagorda, La Palma Die auf den Kanarischen Inseln Gran Canaria, Teneriffa, La Palma, El Hierro und La Gomera beheimatete Kanarische Kiefer (Pinus canariensis) ist eine endemische Pflanze und kommt überwiegend in Höhenlagen von 700 Metern bis 2.000 Metern vor. Auf den Nordhängen der Inseln sind sie dem ständigen wolkenreichen Passatwind ausgesetzt und kämmen mit ihren bis zu 30 cm langen, feinen Nadeln das Nass aus den Passatwolken aus. Das an den Nadeln auskondensierte Wasser tropft als Niederschlag ab und wird als „horizontaler Regen“ (la lluvia horizontal) im Unterschied zum „vertikalen Regen“ (la lluvia vertical) bezeichnet. Er verdoppelt bis verdreifacht die lokale Niederschlagsmenge und hat für die Grundwassergewinnung große Bedeutung. Die Kiefern benötigen davon ca. nur ein Drittel der Menge.La Palma – Guía del turismo tranquilo – Führer für den ruhigen Tourismus. ()J. C. S. Cerezal, J. N. Borges: Ingeniería forestal y ambiental en medios insulares. Técnicas y Experiencias en las Islas Canarias. Tenerife 2013, ISBN 978-84-616-3859-8. ().
Die Wirkung des „horizontalen Regens“ lässt sich einfach beobachten. Unter der vom Nebel eingehüllten Kiefer fallen ständig Wassertropfen zu Boden und durchfeuchten diesen. Nur wenige Meter entfernt, wo kein Baum den Boden abdeckt, ist der Boden dagegen trocken und staubig.
Die tägliche Wassermenge, die eine 30 Meter hohe kanarische Kiefer aus dem Nebel auskämmen kann, wurde aufgrund experimenteller und empirischer Untersuchungen mit 50 l/m² ermittelt.J. J. B. Ruiz: Aproximación al cálculo de la lluvia horizontal y a su incidencia en la recarga del sistema acuífero de Tenerife. In: Tema B: Hidrología y Gestión del Agua. ().
Die jährlichen Niederschlagsmengen in den verschiedenen Regionen auf den Inseln machen die großen Unterschiede der Wassergewinnung deutlich. Auf La Palma, der waldreichsten Insel der Kanaren mit 40 % der Waldfläche,R. Goetz: La Palma, Aktivurlaub auf der grünsten der Kanarischen Inseln. (= Peter Meyer Reiseführer). 5. Auflage. Frankfurt am Main 2000. trägt der Kiefernbestand erheblich zum Gesamtwasserhaushalt der Insel bei. Im passat-zugewandten waldreichen Norden fallen 1.000 l/m² und 1.500 l/m² im Jahr an, wohingegen im Passat-abgewandten Süden nur 250 l/m² im Jahr gesammelt werden.
Auf Teneriffa sind die Gegensätze entsprechend groß. Während im Süden der Insel kaum mehr als 195 l/m² im Jahr anfallen, sind es im Norden (El Sauzal) 870 l/m² im Jahr.
Die Höhenlagen der Kanarischen Inseln und der die Inseln anströmende Passat mit seinen wasserreichen Wolken sind die Bedingungen für die evolutionäre Ausprägung der Kanarischen Kiefer mit ihren langen Nadeln, mit welchen der Baum durch Nebelkondensation seine eigene Wasserversorgung sichert.
Die Nadeln der Kanarischen Kiefer unterscheiden sich in der Aufnahme von Nebeltropfen deutlich von denen anderer Kiefernarten, z. B. denen der Waldkiefer (Pinus sylvestris). Entlang ihrer Nadeln sammeln sich viele einzelne Tropfen, während sich bei der Waldkiefer lediglich am Ende der Nadel ein Tropfen ausbildet. Mikroskopische Aufnahmen der Nadel der Kanarischen Kiefer zeigen auf ihrer Oberfläche – im Unterschied zu den Nadeln anderer Pinienarten – ausgeprägte Widerhaken, die als Kondensationskeime für die Nebeltropfen wirken. Die deutlich größere Nebelausbeute der Kanarischen Kiefer gegenüber anderen Kiefernarten ergibt sich aus der besonderen Art der Tropfenbildung entlang der Nadel und der Länge der Nadeln (maximal 30 cm), die Nadel der Waldkiefer ist dagegen 4 bis 7 cm lang.
Dünengras der Namib-Wüste Die Namib ist eine sehr alte Wüste, in der über mehrere Millionen Jahre nahezu ununterbrochen trockene Bedingungen herrschten. Der jährliche Niederschlag beträgt durchschnittlich etwa 19 mm. Aufgrund des aufsteigenden Benguelastroms an der südwestafrikanischen Küste kommt es in der Namib zu regelmäßigen nächtlichen Nebelereignissen (zwischen 00:00 und 04:00 Uhr), wobei der Nebel durch auflandige Winde in die Namib transportiert wird. Nebel stellt damit die einzige vorhersehbare Wasserquelle im westlichen Teil der Namib-Wüste dar. Zwischen 1966 und 2000 kam es in 88 % zu Nebelereignissen. Die Pflanzen wie die Tiere der Namib haben daher Strategien entwickelt, Nebelwasser über selektiven Druck zu nutzen.lM. Ebner, T. Miranda, A. Roth-Nebelsick: Efficient fog harvesting by Stipagrostis sabulicola (Namib dune bushman grass), Journal of Arid Environments, Volume 75, Issue 6, Juni 2011, Seiten 524–531. mini|Dünengras
Das Dünengras (Stipagrostis sabulicola), eine endemische Art der zentralen Namib-Wüste, ist in der Lage, dem extrem trockenen Dünensystem Biomasse hinzuzufügen, während sonst nichts wachsen kann. Mit ca. 1 Meter langen Grashalmen ist es ein effektiver Nebelsammler. An den aufrecht stehenden Halmen fließt das aus dem Nebel geerntete Wasser über den Halm direkt dem Wurzelwerk der Pflanze zu. Eine Pflanze mit 70 Halmen, die eine Gesamtblattfläche von 1 m² bildet, erntet pro Nebelnacht durchschnittlich 4–5 L, was einem lokalen Niederschlagsereignis von 4–5 mm entspricht.A. Roth-Nebelsick, M. Ebner, T. Miranda: Efficient fog harvesting by Stipagrostis sabulicola (Namib dune bushman grass). In: Journal of Arid Environments. 75, 2011, S. 524–531. doi:10.1016/j.jaridenv.2011.01.004 (Volltextquelle bei researchgate.net)Animal or Plant: Which Is the Better Fog Water Collector? In: PLOS-one. 3. April 2012. (plosone.org)
Die besonderen Merkmale des Halms zum Einsammeln von Nebeltropfen bestehen in parallel zu der Längsachse des Halms verlaufenden Furchen (Rillen) sowie in feinen Stachelhaaren, die die Oberfläche des Halms überziehen. Die Furchen am Halm bieten eine geführte Talfahrt der Wassertropfen direkt zum Wurzelwerk der Pflanze. Die Stachelhaare verhindern ein vorzeitiges Ablösen und eine Talfahrt zu kleiner Tropfen.A. Roth-Nebelsick: Leaf surface structures enable the endemic Namib desert grass Stipagrostis sabulicola to irrigate itself with fog water. In: Journal of the Royal Society Interface. (rsif.royalsocietypublishing.org)
Der Tropfenbildungsprozess, wie er unter natürlichen Bedingungen und im Labor beobachtet wurde, wird wie folgt beschrieben: Kleine Tröpfchen lagern sich bevorzugt entlang der Furchen des senkrechten Halmes an. Die Tropfen werden durch den weiter anströmenden Nebel größer. Sobald ein Tropfen eine kritische Größe erreicht hat, rollt er am Halm nach unten und nimmt die weiteren Tröpfchen, die sich in der Furche am unteren Halm befindlichen, mit.
Diese Nebelernte trägt erheblich zur Steigung der Bodenfeuchte bei und bietet damit Schutz und Nahrung für verschiedene andere Organismen wie Ameisen und Eidechsen. Für das Ökosystem der Dünen der Namib ist das von großer Bedeutung.
Nutzung in der Tierwelt mini|Nebeltrinker-Käfer bei der Wasseraufnahme Auch in der Tierwelt, wie von Dunkelkäfer, Gecko und Sandviper, wird die Nebelkondensation zum Überleben genutzt. In der wasserarmen Namib-Wüste, die sich über 2000 km Länge hinzieht, decken die Tiere durch Befeuchtung aus dem täglich aufsteigenden Nebel ihren Wasserbedarf.W. Nachtigall: Bionik: Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Technology & Engineering. Wassergewinnung durch Nebelkondensation, 2002, S. 337 ().
Der Dunkelkäfer (Nebeltrinker-Käfer), ca. 2 cm lang, hat auffällig lange Beine, um sich vor dem heißen Wüstensand zu schützen. Er ist in der Namib-Wüste endemisch. Zur Wasseraufnahme aus dem Nebel stellt er sich mit gesenktem Kopf gegen die Nebelschwaden und nimmt auf dem schräg gestellten Körper die kondensierenden Wassertropfen auf. Wenn die auf seinem Rücken angesammelten Tropfen eine Größe von ca. 5 mm erreicht haben, überschwemmen sie den Körper und das Wasser läuft an den Rinnen des Rückens zu den Mundwerkzeugen des Käfers.