Die Luftfeuchtigkeit oder Luftfeuchte ist der Masse-Anteil des gasförmigen Wasserdampfs in Luft. In der Luft schwebendes flüssiges Wasser (zum Beispiel Regentropfen, Nebeltröpfchen) oder Eis (zum Beispiel Schneekristalle) werden der Luftfeuchtigkeit folglich nicht zugerechnet. Die Luftfeuchtigkeit ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche technische und meteorologische Vorgänge, für viele Lebensvorgänge bei Lebewesen sowie für Gesundheit und Behaglichkeit der Menschen.Julius F. von Hann: Handbuch Der Klimatologie. 1. Auflage. Salzwasser Verlag, 2012, ISBN 978-3-86444-581-1, S. 44–50.
In Abhängigkeit von Temperatur und Druck kann ein gegebenes Luftvolumen nur eine gewisse Höchstmenge Wasserdampf enthalten. Die relative Luftfeuchtigkeit, die das geläufigste Maß für die Luftfeuchtigkeit ist, beträgt dann 100 %. Allgemein gibt die relative Luftfeuchtigkeit, ausgedrückt in Prozent (%), das Masse-Verhältnis des momentanen Wasserdampfgehalts zu dem Wasserdampfgehalt an, der für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck maximal möglich ist. Durch die Aufnahme von Wasserdampf wird die Luftdichte verringert, da bei gleich bleibendem Gesamtdruck eine hinzugefügte Anzahl von H2O-Molekülen dieselbe Anzahl von schwereren N2- und O2-Molekülen verdrängt.Jochen Harsch: Schimmel – Ursachen und Zusammenhänge. epubli, Berlin 2014, ISBN 978-3-7375-0741-7.
Allgemeines mini|Kondensierender Wasserdampf als indirekter Nachweis für die Luftfeuchtigkeit
Ein wasserdampffreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit 0 bis 4 Volumenprozent vergleichsweise sehr stark schwankt. Beeinflusst wird die Luftfeuchtigkeit vor allem durch die Verfügbarkeit von Wasser, die Temperatur und den Grad der Durchmischung der Atmosphäre. Höhere Lufttemperaturen ermöglichen eine höhere Wasserdampfkonzentration in der Luft. Bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf in der Luft bezeichnet man die Luftfeuchtigkeit auch als Spurenfeuchtigkeit bzw. Spurenfeuchte.Rainer Müller: Thermodynamik. Vom Tautropfen zum Solarkraftwerk. Walter de Gruyter, Berlin 2014, ISBN 978-3-11-030198-4.
Physikalische Grundlagen Verdunstung und Kondensation An einer freien Wasseroberfläche, die flüssiges Wasser vom darüberliegenden Luftvolumen trennt, treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über und umgekehrt. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte, vor allem durch die Wasserstoffbrückenbindungen, vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen (Maxwell-Boltzmann-Verteilung). Ein kleiner Anteil von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden, die Wasseroberfläche zu verlassen und in das Luftvolumen überzugehen, also zu verdunsten. Die Verdunstungsrate, das ist die Menge an verdunstendem Wasser je Zeitspanne, hängt vom Anteil derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet, und wird unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt.
Umgekehrt treffen verdunstete Wassermoleküle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberfläche und können dort je nach ihrer kinetischen Energie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vom Molekülverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist nur vom Partialdruck des Wasserdampfes in der Luft abhängig, nicht aber von dem Anteil des Luftdrucks, den die anderen Bestandteile der Luft liefern.Alfred Dengler: Waldbau auf ökologischer Grundlage. Ein Lehr- und Handbuch. 3. Auflage. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 1944.
Vier Größen beeinflussen die Menge dieses Stoffaustauschs: die Größe der Oberfläche (Verwirbelungen erhöhen diesen Wert im Vergleich zum ruhenden Wasser), die Temperatur des Wassers, die Temperatur der Luft und der Sättigungsgrad der Luft.
Sättigung Betrachtet man einen Verdunstungsvorgang bei anfangs trockener Luft, so stellt sich die der Temperatur entsprechende Verdunstungsrate ein, während die Kondensationsrate mangels Wassermolekülen in der Luft zunächst gleich null ist. Die Verdunstungsrate ist also größer als die Kondensationsrate, und die Anzahl von Wassermolekülen in der Luft steigt an. Damit wächst auch die Rückkondensation, und die Nettoverdunstung (Verdunstungsrate minus Kondensationsrate) beginnt zu sinken. Die Dichte der Wassermoleküle in der Luft steigt so lange an, bis die Kondensationsrate die Stärke der Verdunstungsrate erreicht, pro Zeitspanne also ebenso viele Wassermoleküle vom Wasser in die Luft übertreten wie von der Luft ins Wasser. Dann ist der Gleichgewichtszustand erreicht, in dem die Nettoverdunstung null ist, während der ständige Teilchenaustausch zwischen Luft und Wasser weiter stattfindet.
Die im Gleichgewichtszustand vorliegende Konzentration von Wassermolekülen in der Luft ist die Sättigungskonzentration. Steigt die Temperatur, wird sich auch eine höhere Sättigungskonzentration einstellen, da die nun ebenfalls erhöhte Verdunstungsrate zur Erreichung eines neuen Gleichgewichts durch eine höhere Kondensationsrate wieder kompensiert werden muss, was eine höhere Teilchendichte der Wassermoleküle in der Luft voraussetzt. Die Höhe der Sättigungskonzentration hängt also von der Temperatur ab.
Die Sättigungskonzentration wird fast allein durch die Eigenschaften der Wassermoleküle und ihre Wechselwirkung mit der Wasseroberfläche bestimmt, es besteht keine wesentliche Wechselwirkung mit den anderen Atmosphärengasen. Wären jene Gase nicht vorhanden, so würde sich über dem Wasser praktisch dieselbe Sättigungskonzentration einstellen. Zum Ermitteln der Sättigung reicht daher die Kenntnis des Partialdrucks des Wasserdampfs. Die umgangssprachlich gebräuchliche und wegen der Einfachheit auch in Fachkreisen weit verbreitete Ausdrucksweise, die Luft könne bei gegebener Temperatur maximal eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen, führt leicht in die Irre. Die Luft nimmt die Feuchtigkeit nicht analog zu einem Schwamm auf, und auch der Begriff der Sättigung darf hier nicht analog zur Sättigung einer Lösung verstanden werden. Die Luft besteht bei nicht zu hohem Druck aus selbstständig agierenden Gasteilchen, die im Wesentlichen nur über Stöße wechselwirken. Weder ist also Sauerstoff im Stickstoff, noch Wasserdampf in den anderen Luftbestandteilen „gelöst“. Bei hoher Dichte werden jedoch andere Wechselwirkungen relevant, was zu einer merklichen Abweichung der Sättigungskonzentration relativ zum Zustand bei niedriger Dichte führt.
(Man stelle sich einen zur Hälfte mit Wasser gefüllten abgeschlossenen Behälter vor, in dem über der Wasseroberfläche ein Vakuum herrscht. Wird den Molekülen der Flüssigkeit durch Erwärmung kinetische Energie zugeführt, so können sich Teilchen mit genügend Energie von der Oberfläche lösen (verdunsten).)
Aus demselben Grund wird die Sättigungskonzentration nicht von der Temperatur der Luft bestimmt, sondern von der Temperatur der verdunstenden Oberfläche. Der Bezug auf die Temperatur der Luft ist in der Alltagspraxis oft gerechtfertigt, da verdunstende Flächen geringer thermischer Trägheit meist näherungsweise Lufttemperatur annehmen (zum Beispiel an der Luft trocknende Wäsche). Ist jedoch die verdunstende Oberfläche deutlich wärmer als die Luft, so verdunsten die Wassermoleküle entsprechend der hohen Oberflächentemperatur in die kühlere Luft hinein (heiße Herdplatte), auch wenn deren Sättigungskonzentration dabei überschritten wird. Ein Teil der Feuchtigkeit kondensiert dann in der Luft an den kühleren Aerosolen, die die Temperatur der Luft haben, und wird als Dampf- oder Nebelschwaden sichtbar (zum Beispiel Dunstschwaden in kühler Luft über einem wärmeren herbstlichen See). Ist aber die Oberfläche wesentlich kühler als die Luft, so kann unter Umständen auch der Feuchtigkeitsgehalt teilgesättigter Luft dort zu Kondensation führen (zum Beispiel beschlagene Fenster in Küche oder Bad oder die Wasserzunahme in einem Tauteich). Genauer gesagt kondensiert der Wasserdampf zu Wasser (zu Tau, wenn die Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt, oder zu Reif, wenn sie unter dem Reifpunkt liegt, siehe dazu auch unten).
Übersättigung Erhöht man durch eine Zufuhr von Wassermolekülen deren Konzentration über die Sättigungskonzentration (Übersättigung), so steigt wegen der größeren Dichte an Wassermolekülen in der Luft die Kondensationsrate vorübergehend über die Verdunstungsrate hinaus an und die Konzentration an Wassermolekülen sinkt daher wieder auf den Gleichgewichtswert.
Auch hier ist zu beachten, dass es sich nicht etwa um ein Unvermögen der Luft handelt, den überschüssigen Wasserdampf zu halten. Vielmehr nutzt der Wasserdampf unter diesen Bedingungen eine sich darbietende Kondensationsfläche, um seine Konzentration durch heterogene Kondensation auf die Sättigungskonzentration zu senken. Fehlen solche Kondensationsflächen oder Kondensationskeime, so kann die Luft dauerhaft erhebliche Mengen von Wasserdampf aufnehmen, bis es schließlich zu einer spontanen Entstehung von Wassertröpfchen (homogene Kondensation) kommt; siehe dazu auch den Abschnitt Oberflächenkrümmung des Wassers. Dies ist zum Beispiel in großen Volumina möglichst reiner Luft, also bei einer geringen Aerosolkonzentration, und bei großer Entfernung von etwaigen Umschließungsflächen der Fall (siehe Nebelkammer). Spontane Kondensation von Wasserdampf zu Wassertröpfchen findet ohne Kondensationskeime erst bei extremer Übersättigung von mehreren hundert Prozent relativer Feuchtigkeit statt. In der Praxis ist jedoch fast immer eine ausreichend große Menge von Aerosolen in der Luft vorhanden, sodass es in der Atmosphäre kaum zu Übersättigungen von mehreren Prozentpunkten kommt.
Teilsättigung Die Verdunstungsrate des Wassers kann bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Es dauert daher längere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Störung wieder eingestellt hat. Wurde zum Beispiel durch nächtliche Abkühlung ein Teil des Feuchtigkeitsgehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwärmung zunächst ungesättigt und kann den Sättigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsättigung ist für unsere Atmosphäre wegen der häufigen Temperaturschwankungen der Normalfall. Es ist für zahlreiche Vorgänge von großer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sättigungszustand entfernt ist. Verschiedene Feuchtigkeitsmaße dienen dazu, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.
Abhängigkeit der Sättigungskonzentration von Umgebungseinflüssen Temperatur mini|Wasserdampfkonzentration in Abhängigkeit eines größeren und eines kleineren Temperaturbereichs
Bei Erhöhung der Temperatur nimmt der Anteil an Wassermolekülen zu, welche genügend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberfläche zu verlassen. Es stellt sich also eine höhere Verdunstungsrate ein, welche zur Wiederherstellung des Gleichgewichts durch eine höhere Kondensationsrate kompensiert werden muss, was aber eine höhere Konzentration von Wassermolekülen in der Luft voraussetzt.