Meteorologie. Hans Häckel
Чтение книги онлайн.
Читать онлайн книгу Meteorologie - Hans Häckel страница 30
Название: Meteorologie
Автор: Hans Häckel
Издательство: Bookwire
Жанр: Математика
isbn: 9783846355046
isbn:
Abb. 2.4 Aufbau eines Wassermoleküls.
Aufgrund dieser Eigenschaft ziehen die positiv geladenen Seiten von Wassermolekülen die negativ geladenen Seiten benachbarter Wassermoleküle elektrisch an. Dadurch können sie lockere, zwar leicht zu zertrennende, aber immer wieder 66 neu entstehende Molekülnetze knüpfen, die als Cluster bezeichnet werden und die nach außen hin den Aggregatzustand „flüssig“ bewirken. In Clustern sind zwei benachbarte Sauerstoffatome über ein Wasserstoffatom miteinander verknüpft. In der physikalischen Chemie bezeichnet man solche Verknüpfungen als Wasserstoffbrücken (→ Abb. 2.5).
| Tab. 2.4 Vergleich der Relativen Feuchte mit anderen Feuchtemaßen | |||||||
| Temperatur: | –10 | 0 | 10 | 20 | 30 | °C | Berechnung nach: |
| 2,9 | 6,1 | 12,3 | 23,4 | 42,5 | Sättigungsdampfdruck (mbar) | Gl. 1; Gl. 2 | |
| RelativeFeuchte: 30 % | 0,9 | 1,8 | 3,7 | 7,0 | 12,7 | Dampfdruck (mbar) | |
| – 24,1 | – 15,4 | – 6,7 | 1,9 | 10,5 | Taupunkt ( °C) | Gl. 11 | |
| 0,53 | 1,13 | 2,27 | 4,33 | 7,88 | Spezifische Feuchte (g/kg) | Gl. 7 | |
| 0,71 | 1,45 | 2,82 | 5,19 | 9,11 | Absolute Feuchte (g/m3) | Gl. 4 | |
| – 11,9 | – 4,3 | 3,3 | 10,8 | 18,4 | Feuchttemperatur ( °C) | Gl. 12a | |
| – 8,7 | 2,8 | 15,6 | 30,7 | 49,5 | Äquivalenttemperatur ( °C) | Gl. 12 | |
| 2,0 | 4,3 | 8,6 | 16,4 | 29,7 | Sättigungsdefizit (mbar) | ||
| RelativeFeuchte: 60 % | 1,7 | 3,7 | 7,4 | 14,1 | 25,5 | Dampfdruck (mbar) | |
| – 16,2 | – 6,8 | 2,6 | 12,0 | 21,4 | Taupunkt ( °C) | Gl. 11 | |
| 1,06 | 2,26 | 4,55 | 8,69 | 15,83 | Spezifische Feuchte (g/kg) | Gl. 7 | |
| 1,41 | 2,91 | 5,64 | 10,38 | 18,21 | Absolute Feuchte (g/m3) | Gl. 4 | |
| – 11,9 | – 2,9 | 6,0 | 15,0 | 24,0 | Feuchttemperatur ( °C) | Gl. 12a | |
| – 7,4 | 5,6 | 21,3 | 41,5 | 69,0 | Äquivalenttemperatur ( °C) | Gl. 12 | |
| 1,1 | 2,4 | 4,9 | 9,4 | 17,0 | Sättigungsdefizit (mbar) | ||
| RelativeFeuchte: 90 % | 2,6 | 5,5 | 11,1 | 21,1 | 38,2 | Dampfdruck (mbar) | |
| – 11,3 | – 1,4 | 8,4 | 18,3 | 28,2 | Taupunkt ( °C) | Gl. 11 | |
| 1,59 | 3,39 | 6,83 | 13,07 | 23,86 | Spezifische Feuchte (g/kg) | Gl. 7 | |
| 2,12 | 4,36 | 8,46 | 15,57 | 27,32 | Absolute Feuchte (g/m3) | Gl. 4 | |
| – 10,7 | – 0,9 | 8,9 | 18,8 | 28,6 | Feuchttemperatur ( °C) | Gl. 12a | |
| – 6,1 | 8,4 | 26,9 | 52,2 | 88,5 | Äquivalenttemperatur ( °C) | Gl. 12 | |
| 0,3 | 0,6 | 1,2 | 2,3 | 4,2 | Sättigungsdefizit (mbar) | ||
| Bitte beachten: Negative Feuchttemperaturen gelten für Eis (nicht für unterkühltes Wasser)! | |||||||
Abb. 2.5 Schematisierte Beispiele für Wassercluster: (a) aus 3, (b) aus 7 Molekülen aufgebaut. Die schwarzen Linien symbolisieren die Wasserstoffbrücken. Cluster bestehen aus 2 bis 500 Molekülen. Je höher die Temperatur, desto kleiner die Cluster, weil sie von der heftiger werdenden Molekularbewegung zunehmend zerrissen werden. Dennoch hat man Cluster auch im Wasserdampf nachgewiesen. Erst ab etwa 1000 °C können die Wassermoleküle als Einzelindividuen existieren. Cluster haben nur eine extrem kurze Lebenszeit:1 bis 20 Picosekunden (= 10–12 s). Deshalb konnte noch kein individuelles Cluster isoliert werden.
Die gegenseitige elektrische Anziehung erklärt die oben aufgeführten ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers ganz zwanglos. Beginnen wir mit dem Siedepunkt: Die Wasserstoffbrücken widersetzen sich in erheblichem Maße dem Bestreben der Wassermoleküle, sich voneinander zu trennen und damit in den gasförmigen Zustand überzugehen. Erst bei der hohen Temperatur von 100 °C wird die Molekularbewegung so heftig, dass es den einzelnen Molekülen (→ Abb. 2.6) gelingt, sich voneinander loszureißen. Analoges gilt beim Schmelzen und erklärt so die hohe Schmelztemperatur. Die Tatsache, dass das Wasser innerhalb einer Temperaturspanne von 100 K flüssig bleibt, folgt ebenfalls aus der elektrischen Anziehung zwischen den Wasserdipolen.
Abb. 2.6 Schematisierte räumliche Darstellung des Kristallgitters in einem Eiskristall. Die schwarzen Linien stellen Wasserstoffbrücken dar (nach einer Vorlage bei Vogel, 1997).
Gehen Sie bitte zum Betrachten wie folgt vor: Halten Sie das Buch etwa 20 cm vor die Nasenspitze. Schielen Sie mit dem rechten Auge über die Nasenspitze hinweg nach links und mit dem linken nach rechts. Sie können dann drei Bilder nebeneinander erkennen. Das mittlere ist das dreidimensionale. Jetzt entfernen Sie das Buch ganz langsam nach vorne, bis der Druck scharf erscheint. Sollte sich der Stereoeffekt nicht gleich einstellen, dann drehen Sie das Buch leicht im oder gegen den Uhrzeigersinn, bis die drei Bilder exakt in einer Linie erscheinen, dann wird sich auch schnell der Stereo-Effekt zeigen.
Vom vorigen Abschnitt her wissen wir, dass das Wasser eine außerordentlich hohe spezifische Wärme besitzt, was wichtige meteorologisch-klimatologische Konsequenzen hat. Auch sie geht 67–68 auf die Neigung zur Brückenbildung zurück. Führt man flüssigem Wasser Wärme zu, so wird ein nicht unerheblicher Teil davon zum Sprengen von Wasserstoffbrücken verbraucht. Da dieser Vorgang sehr energieaufwendig ist, bleibt für die Temperaturerhöhung nur noch ein bescheidener Rest übrig. Die Folge ist, dass sich das Wasser weniger erwärmt als Substanzen ohne Dipoleigenschaften. Dafür macht sich die mit steigender Temperatur abnehmende Zahl von Wasserstoffbrücken aber durch eine abnehmende Viskosität des Wassers bemerkbar: Bei 0 °C ist Wasser fast 7-mal so zäh wie bei 100 °C.
Besonders auffällig macht sich die Dipolwirkung unter den Molekülen an der Oberfläche von Wassertropfen bemerkbar. Sie lässt eine Art elastischer Haut entstehen, die stets bestrebt ist, sich zusammenzuziehen und sich damit möglichst eng um das Wasservolumen herumzulegen. D. h., es entsteht eine erhebliche Oberflächenspannung. Sie hat zur Folge, dass auch noch relativ große, frei fallende Wassertropfen ihre Kugelgestalt beibehalten. Erst bei Tropfendurchmessern über 2 bis 3 mm kommt es, wie wir noch sehen werden, zu Deformationen.
Die große Oberflächenspannung bewirkt darüber hinaus, dass Wassertröpfchen, die sich zufällig berühren, spontan zu einem einzigen größeren Tröpfchen zusammenfließen. Auf diese Weise können Niesel- oder sogar Regentropfen entstehen (→ Kap. 2.3.4): Die Oberflächen zweier kleiner Tröpfchen sind nämlich zusammen deutlich größer als die Oberfläche des Tröpfchens, das beim Zusammenfließen entsteht.
Mathematik und Physik
Ein СКАЧАТЬ