Klima - Einführung

Das Verhalten von Wasserdampf in Luft wird uns tagtäglich von der Natur vor Augen geführt. Durch die von der Sonne zugeführte Energie verdunsten ständig große Mengen Wasser, das bei veränderten Bedingungen (vor allem Abkühlung der Luft) wieder als Wolken, Nebel, Tau, Regen und Schnee sichtbar in Erscheinung tritt. Andere Phänomene kennen wir aus unserer täglichen Erfahrung, so die trockene "Heizungsluft" in beheizten Räumen im Winter oder feuchtklamme Keller im Sommer.

Der Grund für diese Phänomene liegt hauptsächlich darin, dass warme Luft deutlich mehr Wasser aufnehmen kann als kalte. Pro Kubikmeter Luft sind dies, unabhängig vom Luftdruck: bei

0° C
5 g Wasser
Werte gerundet,
hier genauere Werte
10° C
10 g Wasser
20° C
17 g Wasser
30° C
30 g Wasser

Dies lässt sich auch als Diagramm ausdrücken, doch für den Hausgebrauch kommen wir mit diesen einprägsamen vier Werten bereits sehr weit. Es sind die Wassermengen, die ein Kubikmeter Luft bei den jeweiligen Temperaturen maximal aufzunehmen vermag. Man spricht hier von Sättigungskonzentration: 1 m Luft besitzt also bei 20°C eine Sättigungskonzentration von rund 17 g/m Wasser.

Häufig wird die Konzentration auch in Gramm Wasser pro Kilogramm Luft angegeben: 1 m trockene Luft wiegt bei Normaldruck und 0°C etwa 1,25 kg und bei 25°C etwa 1,15 kg, wodurch sich etwas andere Zahlenwerte ergeben als wenn man in g/m rechnet. Feuchte Luft ist im übrigen ein klein wenig leichter als trockene. Der Grund hierfür liegt in der geringeren Molekülmasse von Wasser gegenüber den anderen Luftbestandteilen. Da nach den Gasgesetzen bei gleicher Temperatur die Zahl der Teilchen in einem bestimmten Volumen konstant ist, ist feuchte Luft etwas leichter.

Nehmen wir diesen Kubikmeter Luft mit 17 g/m Wasser bei 20°C und stecken ihn in einen dichten Glaswürfel mit 1 m Kantenlänge. Die Luft im Würfel ist maximal gesättigt und könnte kein weiteres Wasser aufnehmen, man spricht auch von 100 % relative Luftfeuchtigkeit (rF). Nun erwärmen wir den Würfel auf 30°C (und vernachlässigen dabei, dass hierdurch der Druck steigen würde): Bei 30°C kann die Luft 30 g Wasser aufnehmen. Da wir nur 17 g Wasser im Würfel haben, könnte die Luft also noch weitere 13 g Wasser aufnehmen. Die Luft wäre nicht mehr gesättigt, sondern enthielte nur einen Teil (17 g) der maximalen Sättigungsmenge (30g), in Prozent ausgedrückt: 57% der maximalen Sättigungsmenge. Man spricht dann von 57% relative Luftfeuchtigkeit.

Der Ausdruck "relative Luftfeuchtigkeit" bezeichnet also den relativen Sättigungsgrad der Luft, also wie viel Prozent der bei dieser Temperatur maximalen Sättigungsmenge an Wasser gerade in der Luft vorhanden sind. (Wissenschaftlich definiert ist "relative Luftfeuchtigkeit" das Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks zum Sättigungsdampfdruck. Der Ausdruck Luft kommt in der Definition nicht vor, die relative Luftfeuchtigkeit ist daher völlig unabhängig von der vorhandenen Menge Stickstoff oder Sauerstoff. Der Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf ist im Vakuum gleich wie bei hohem Luftdruck!)

Um auszudrücken, ob Luft trocken oder feucht ist, ist die "relative Luftfeuchtigkeit" weitaus aussagekräftiger als die absolute Luftfeuchtigkeit in Gramm Wasser pro Kilogramm Luft. Die Angabe, die Luft enthalte 10g Wasserdampf/m³, besagt ohne Temperaturangabe so gut wie nichts.

Obwohl die in der Luft enthaltene Wassermenge mit 0,1 - 3 Gewichtsprozent nur gering ist, beeinflusst die Luftfeuchtigkeit unser Wohlbefinden entscheidend: Da trockene Luft noch viel zusätzliches Wasser aufnehmen kann, fällt es unserem Körper leicht, durch Verdunsten von Wasser seine Körpertemperatur zu regulieren, während uns bei hoher Luftfeuchtigkeit der Schweiß auf der Haut kleben bleibt. Bei sehr trockenem und warmem Klima (Wüstenklima, Heizungsluft) verlieren wir dagegen zu viel Wasser und bekommen trockene Schleimhäute. In Innenräumen fühlt sich der Mensch normalerweise im Bereich von 35 - 65 % relativer Luftfeuchtigkeit am wohlsten.

Auch für die Kunstwerke ist die relative Luftfeuchtigkeit der entscheidende Faktor; wie viel Gramm Wasser pro m³ Luft dies letztendlich sind, ist nebensächlich. Das "Arbeiten" von Holz, also das Schwinden und Quellen, wird weitestgehend von der relativen Luftfeuchtigkeit bestimmt. Auch die Frage, ob Eisen rostet oder nicht, hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Die Temperatur bestimmt dann lediglich, wie schnell das Rosten voranschreitet.

Kehren wir zu unserem Glaswürfel mit 17 g Wasserdampf zurück. Wir haben ihn auf 30°C erwärmt, wodurch eine relative Luftfeuchtigkeit von 57% entstand. Nun kühlen wir den Würfel langsam ab. Die relative Luftfeuchtigkeit wird beim Abkühlen wieder ansteigen, bis sie bei 20°C wieder 100%, also die maximale Sättigung erreicht. Kühlen wir den Würfel nun noch weiter, also auf unterhalb von 20°C, enthält der Glaswürfel plötzlich mehr Wasser, als die Luft darin aufnehmen kann. Was geschieht? Nun beginnt Wasser zu kondensieren und als Tau niederzuschlagen. Tau, Nebel und Hauch entstehen, wenn eine Luftmenge so weit abgekühlt wird, bis die Luft mehr Wasser enthält als sie bei dieser Temperatur in gasiger Form aufnehmen kann.
Kondensationsentfeuchtungsgeräte beruhen genau auf diesem Prinzip: Die angesaugte Luft wird abgekühlt und auf den Kühlschlangen bildet sich Tau, der in eine Wanne oder einen Ablauf abgeführt wird. Die somit entfeuchtete Luft wird wieder erwärmt und dem Raum zugeführt.

Bei unserem Glaswürfel war also 20°C die kritische Temperatur, unterhalb der beim Abkühlen sofort Tauniederschlag stattfand. D.h. der so genannte Taupunkt liegt hier direkt unterhalb von 20°C. Mit Taupunkt oder Taupunkttemperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der beim Abkühlen einer Luftmenge erstmals Tau niederschlägt. Die sehr genauen Taupunkthygrometer messen, bei welcher Temperatur auf einem allmählich gekühlten Spiegel ein erster Tauniederschlag festzustellen ist. Aus dieser Temperatur und der Ausgangstemperatur lässt sich die relative Luftfeuchtigkeit ermitteln.

Fassen wir zusammen:
Wird eine Luftmenge erwärmt, so sinkt die relative Luftfeuchtigkeit. Aus diesem Grund sind beheizte Innenräume im Winter so trocken: Die kalte Winterluft enthält, obwohl ihre relative Luftfeuchtigkeit u.U. hoch ist, nur sehr wenig Wasser. Gelangt diese Luft in die Innenräume, erwärmt sie sich, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit stark sinkt, typischerweise bis auf 20 - 30 % rF.

Umgekehrt steigt die relative Luftfeuchtigkeit, wenn Luft abgekühlt wird. Ein häufig gemachter Fehler ist, einen feuchten Keller im Sommer durch Lüften trocknen zu wollen. Es leuchtet ein, dass das Gegenteil des gewünschten Effekts eintreten wird, denn die warme Sommerluft enthält sehr viel Wasser. Dringt die Luft in den Keller, kühlt sie sich ab - die relative Luftfeuchtigkeit steigt auf sehr hohe Werte. Unter Umständen wird sogar die Taupunkttemperatur unterschritten, sodass sich auf den Kellerwänden Kondenswasser bildet.

Anmerkung:
Obige Feststellungen gelten nur in Lufträumen, in denen keine größeren Mengen hygroskopische (= wasseranziehende) Materialien wie Holz, Papier, Naturfasern gelagert sind (weniger als etwa 100 g/m). Befindet sich dagegen viel hygroskopische Substanz im Luftraum, z.B. wenn Sie Ihren Pulli in eine Plastiktüte geben oder eine Graphik zwischen zwei Glasplatten, so steigt die relative Luftfeuchtigkeit im Gegenteil bei Erwärmung an, da organische Materialien bei Erwärmung die Neigung haben, Wasser abzugeben (siehe Thomson 1964 und auch späteres Kapitel).

Einen weit geringeren Einfluss als die Temperatur besitzt der Luftdruck. Wird Luft zusammengepresst, kondensiert u.U. ein Teil des enthaltenen Wassers, da 1 m unabhängig vom Druck eben nur eine bestimmte Menge Wasser aufnehmen kann (Padfield). Aus diesem Grund werden bei Druckluftkompressoren häufig Wasserabscheider nachgeschaltet, die das entstehende Kondensat abführen. Die Luftdruckschwankungen im Museum spielen dagegen nur eine geringe Rolle.

Nicht unerwähnt bleiben sollte, dass beim Verdunsten von Wasser Energie benötigt wird (Verdunstungskälte), die beim Kondensieren wieder frei wird (Kondensationswärme), und zwar eine ganze Menge! Wie wir vom Wasserkochen wissen, erreicht unser Wasserkocher relativ schnell die Temperatur von 100°C, braucht dann aber etwa sechsmal länger, also sechsmal mehr Energie, bis er alles Wasser verdampft hat (519 cal/g).

Verdunstet in einem Raum eine bestimmte Menge Wasser, so steigt die relative Luftfeuchtigkeit, während gleichzeitig die Temperatur sinkt. Dieser Vorgang benötigt keinerlei Energie von außen und stellt in der Klimatechnik einen Idealfall dar, die adibate Befeuchtung, wobei ein Raumklima praktisch ohne Energiezufuhr verändert wird.

Wie wir vom Wäschetrocknen wissen, verdunstet Wasser in trockener Luft schneller als in feuchter. Aufgrund der Verdunstungskälte ist bei trockener Luft daher auch eine schnellere Abkühlung zu verzeichnen. Dieser Effekt wird beim Psychrometer zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit herangezogen.

In den nächsten Kapiteln erfahren Sie mehr über Klimamessung und den Einfluss des Klimas auf die Erhaltung von Kulturgut.

Bibliographie


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