Die Phasen des Wassers ? eine Faszination vor allem im Winter!

Der kalendarische Winter neigt sich dem Ende, da gibt er nochmals Gas
und lässt Deutschland frieren. Zudem spendiert der Spätwinter einigen
Landesteilen eine Extraportion Schnee. Vor allem im nördlichen und
östlichen Mittelgebirgsraum konnten sich nennenswerte Mengen
aufsummieren und sorgten somit für Schneeglätte. Aber auch die
überfrierende Nässe kommt wieder ins Spiel. Dort wo der Schnee
schmilzt oder es tagsüber regnet, kann sich das Wasser vor allem
nachts bei Temperaturen im mäßigen Frostbereich wieder in seine
gefährliche feste Phase wandeln.

Je nach Luftdruck und Temperatur kann Wasser in verschiedenen
physikalischen Erscheinungsformen auftreten. Klassisch werden dabei
drei sogenannte Aggregatzustände unterschieden ? fest, flüssig und
gasförmig.

Liegt Wasser im festen Zustand vor, spricht man von Eis oder Schnee.
In dieser Phase behält das Wasser unter gleichen Druck- und
Temperaturbedingungen sowohl Form und Volumen bei. Bei einem
mittleren Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe von 1013 hPa
geschieht dies bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius.

Bei höheren Temperaturen kommen dann der flüssige und schließlich der
gasförmige Aggregatzustand ins Spiel. Bei den oben genannten
mittleren Druckverhältnissen tritt das "nasse Etwas" vorwiegend im
Temperaturniveau zwischen 0 und 100 Grad Celsius auf. Als Gas kommt
das Wasser in Form von Wasserdampf in der Luft vor. Je wärmer die
Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann die Luft aufnehmen. Dabei
breitet sich der Wasserdampf über den gesamten zur Verfügung
stehenden Raum aus.

Grundsätzlich kann Wasser entsprechend definierter
Übergangsbedingungen zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen
wechseln. Dabei ist entweder eine bestimmte Wärmemenge notwendig oder
wird freigesetzt. Allgemein sind den Phasenübergängen spezielle Namen
zugeordnet. Alle Übergänge können im Falle von Wasser auch im Alltag
beobachtet werden.

Beim Übergang von flüssigem Wasser zu Eis oder Schnee spricht man von
Erstarren oder Gefrieren. Kühlt das Wasser z.B. in Seen oder Teichen
unter den Gefrierpunkt ab, bilden sich Eiskristalle, die mit der Zeit
immer größer werden, bis die Oberfläche mit einer Eisschicht
überzogen ist. Dabei wird Energie in Form von Wärme freigesetzt.
Steigt nun die Temperatur wieder über den Gefrierpunkt wird die
gleiche Energie benötigt um das Eis bzw. den Schnee zu schmelzen.
Nachfolgend kühlt sich die darüber liegende Luftschicht entsprechend
ab.

Die Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig bzw. von gasförmig nach
flüssig sind als Verdampfen bzw. Kondensieren definiert. Das
Verdampfen von Wasser lässt sich dabei gut in der Küche beobachten.
Wird Wasser im Kochtopf erhitzt, erreicht dieses unter mittleren
Druckverhältnissen in Meereshöhe früher oder später die
Siedetemperatur von 100 Grad Celsius und beginnt zu verdampfen. Die
Wassermoleküle gehen dann schließlich in den gasförmigen Zustand
über. Das "Blubbern" im Kochtopf kommt zustande, weil das Wasser am
heißen Topfboden zuerst die Siedetemperatur erreicht - Die
aufsteigenden Blasen sind der Wasserdampf, der unsichtbar ist. Der
Übergang von der flüssigen Phase in den gasförmigen Zustand ohne
Erreichen der Siedetemperatur wird als Verdunstung bezeichnet. Diesen
Effekt kann man nach einem sommerlichen Schauer beobachten, wenn die
Sonne die Regenpfützen rasch austrocknet. Auch das Kondensieren von
Wasser ist als Prozess nahezu täglich in der Natur zu finden. Wenn
nachts, bei Aufklaren, die Lufttemperaturen in Bodennähe deutlich
absinken, kann die Luft weniger Wasserdampf, enthalten. Die
überschüssige Feuchte fällt schließlich als kleine Wassertröpfchen
(Nebel, Tau) aus.
Neben den bisher genannten Phasenübergängen kann das Wasser auch vom
festen direkt in den gasförmigen Zustand übergehen und umgekehrt. Den
Wechsel von der festen in die gasförmige Phase bezeichnet man dabei
als Sublimation, den von gasförmig in die feste Phase als
Resublimation. Das Sublimieren von Wasser lässt sich sehr schön im
Winter bei trockenen Hochdruckverhältnissen anhand der schwindenden
Schneehöhe erkennen. In diesem Fall lässt die Sonne den Schnee
verschwinden, ohne dabei den Weg über die flüssige Phase zu gehen.
Gleichermaßen schafft es die Sonne gefrorene Pfützen schon weit
unterhalb des Gefrierpunktes "auszutrocknen", bis das Eis vollständig
sublimiert und die Pfütze verschwunden ist. Den umgekehrten Weg vom
gasförmigen Zustand in die feste Phase stellt die (Rau-) Reifbildung
dar. Dabei resublimiert der Wasserdampf aus der Umgebungsluft direkt
am Boden bzw. an Gegenständen und bildet eine dünne Eisschicht.

Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 17.03.2018

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