Hygrometrie - Technik

• Physikalische Grundlagen
• Hygrometer - Service und Wartung
• Das Polymeter
• Lambrecht's Thermohygroskop

Physikalische Grundlagen

(stoe-pr) Für die in der Atmosphäre sich abspielenden Vorgänge ist das Wasser von besonderer Bedeutung. Während Stickstoff, Sauerstoff und die übrigen Bestandteile der Luft unter den in der Atmosphäre vorkommenden Temperatur- und Druckverhältnissen nur in gasförmigem Zustand anzutreffen sind, kommt das Wasser in allen drei Aggregatzuständen vor.

In festem Zustand ist das Wasser hauptsächlich in Form von Eiswolken, Hagel, Graupeln und Schnee anzutreffen. Flüssig sind die kleinen und kleinsten Wassertröpfchen, die in der Atmosphäre schwebend Wolken, Nebel und Dunst bilden.

Das gasförmige Wasser, der Wasserdampf, ist fast immer und überall in der Atmosphäre vorhanden und zeichnet sich dadurch aus, dass es, im Gegensatz zu den übrigen Bestandteilen der Luft, die in konstanten Mengenverhältnissen anzutreffen sind, in verschiedenen Mengen von 0- 4% in der Atmosphäre enthalten sein kann.

Die Luft in unseren Breitengraden enthält immer Wasserdampf, sie ist immer "feucht". Als "trocken" bezeichnet man die Luft, die überhaupt keinen Wasserdampf enthält. Die "feuchte" Luft fühlt sich nicht immer naß an, denn Wasserdampf ist nicht etwa das, was man als "Dampfschwade" oder "Dampfwolke" bezeichnet. Die Dampfschwade, die den Schornstein der Lokomotive als weiße Wolke verläßt, ist kein gasförmiges, sondern flüssiges Wasser, bestehend aus vielen kleinen Wassertröpfchen, die in ihrer Gesamtheit die Wolke bilden. Wasserdampf ist unsichtbar, geruch- und geschmacklos und kann durch die menschlichen Sinnesorgane nicht unmittelbar wahrgenommen werden.

Die Bestandteile der Luft, die unter normalen Temperatur- und Druckverhältnissen gasförmig anzutreffen sind, bezeichnet man als permanente Gase.Sie können nur durch besondere Vorrichtungen bei sehr tiefen Temperaturen (-200 ^oC) und bei hohen Drücken verflüssigt werden. Die permanenten Gase zeichnen sich weiter dadurch aus, daß sie bei verschiedenen Temperaturen in beliebigem Verhältnis zueinander gemischt werden können.

Der Wasserdampf kann mit den übrigen Gasen nicht in beliebigen Mengen gemischt werden. Die Luft kann daher nicht beliebig viel Wasserdampf enthalten, sondern nur eine ganz bestimmte, von der Temperatur abhängige Menge.

Den Wasserdampfgehalt der Luft bezeichnet man in der Meteorologie als Feuchtigkeit. Als genaues Maß für die Feuchtigkeit wurde die Masse des Wasserdampfes, die in einem Kubikmeter Luft enthalten ist, festgelegt.Die Masse wird hierbei in Gramm gemessen, die Feuchtigkeit daher in Gramm pro Kubikmeter [g/m³].

Man bezeichnet die Feuchtigkeit, die die Luft in einem bestimmten Zeitpunkt wirklich aufweist, als die absolute Feuchtigkeit.

Die absolute Feuchtigkeit kann bei einer bestimmten Temperatur nicht beliebig groß werden. Wird der Luft immer mehr und mehr Wasserdampf zugeführt, so steigt die absolute Feuchtigkeit an, bis sie bei einem für die Temperatur charakteristischen Wert keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann: Die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt. Der Wert der absoluten Feuchtigkeit, der dem Sättigungszustand entspricht, wird als Sättigungsmaximum oder als Feuchtigkeitsmaximum bezeichnet. Wird der Luft über das Sättigungsmaximum hinaus Wasserdampf zugeführt, so wird der überschüssige Wasserdampf in flüssiger Form ausgeschieden, er wird zu Wasser kondensiert. Die Größe des Sättigungsmaximums ist in erster Linie von der Temperatur abhängig. Mit zunehmender Temperatur wächst das Sättigungsmaximum und damit die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf aufzunehmen. Warme Luft kann daher viel mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft.

Die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf hängt aber nicht einzig und allein von der Temperatur der Luft ab, sondern auch in geringerem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit und anderen Nebenumständen der verdampfenden Flüssigkeit. Über einer Salzlösung (Meerwasser) braucht die Luft, um gesättigt zu sein, nur eine geringere Menge Wasser aufzunehmen als bei einer Oberfläche von reinem Wasser, bei gleicher Temperatur wohlbemerkt. Über Eisflächen findet man die gleiche Erscheinung. Dagegen vermag die Luft über gekrümmten Wasserflächen mehr Wasserdampf aufzunehmen als über ebenen Wasserflächen. Der Betrag der aufgenommenen Wassermenge ist von der Stärke der Krümmung abhängig. Je stärker die Krümmung der Wasserfläche ist, desto größer ist die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf aufzunehmen, um so größer ist das Sättigungsmaximum. Da in der freien Atmosphäre das Wasser nur in Form kleiner und kleinster Tröpfchen mit stark gekrümmten Oberflächen vorkommt, spielt diese Erscheinung in der Meteorologie eine bedeutende Rolle.

In der Atmosphäre findet man den Zustand der Sättigung über der Erdoberfläche relativ selten. Nur zeitweilig erreicht die Atmosphäre den Sättigungszustand, im allgemeinen enthält sie weniger Wasserdampf, als sie bei ihrer Temperatur aufzunehmen fähig wäre. Die absolute Feuchtigkeit liegt also im allgemeinen unterhalb des Sättigungsmaximums. Man bezeichnet das Verhältnis der bei einer bestimmten Temperatur vorhandenen absoluten Feuchtigkeit zu dem Sättigungsmaximum der gleichen Temperatur als die relative Feuchtigkeit:

Relative Feuchtigkeit = Absolute Feuchtigkeit (abs. Dampfdruck)/ Sättigungsmaximum (Sättigungsdampfdruck)

Die relative Feuchtigkeit ist deshalb von großer Bedeutung, weil sie mit einfachen Mitteln gemessen werden kann. Sie wird zumeist in Prozenten angegeben. So bedeutet z.B. 75 % relative Feuchtigkeit, dass die wirklich herrschende absolute Feuchtigkeit 75 % des bei der beobachteten Temperatur größtmöglichen Wertes, des Sättigungsmaximums, beträgt. Da das Sättigungsmaximum für verschiedene Temperaturen durch physikalische Messungen ermittelt und in Tabellen niedergelegt wurde, kann man aus der gemessenen Feuchtigkeit die absolute Feuchtigkeit leicht berechnen:

Absolute Feuchtigkeit = Relative Feuchtigkeit x Sättigungsmaximum.

Zur Messung der Feuchtigkeit ist neben der Masse des Wasserdampfes pro Kubikmeter Luft noch eine andere Größe eingeführt worden, nämlich der Druck des Wasserdampfes.

Die Einführung dieser Größe als Maß für die in der Luft befindliche Feuchtigkeit beruht auf folgender Tatsache: Wenn in einem Gefäß mehrere miteinander vermischte Gase eingeschlossen sind, so ist der Druck, den die Gasmischung auf die Wandung des Gefäßes ausübt, gleich der Summe der Partialdrucke (Teildrucke) der einzelnen Gase, die die Gasmischung bilden. Unter Partial- oder Teildruck versteht man denjenigen Druck, den dieses Gas auf die Gefäßwandung ausüben würde, wenn die übrigen Gase der Mischung nicht vorhanden wären. Der Luftdruck, den das Barometer anzeigt, ist auch die Summe der Partialdrucke von Stickstoff, Sauerstoff und der übrigen Bestandteile, sowie des Partialdruckes des Wasserdampfes. Diese Größe, der Partialdruck des Wasserdampfes, ist zur Kennzeichnung der in der atmosphärischen Luft vorhandenen Wasserdampfmenge eingeführt worden. Die Größe des Dampfdruckes ist von der vorhandenen Wasserdampfmenge, der Feuchtigkeit, abhängig. Ist viel Wasserdampf in der Atmosphäre, so ist der Dampfdruck groß, enthält die Luft nur wenig Feuchtigkeit, so ist der Dampfdruck gering. Der Dampfdruck wird in den gleichen Einheiten gemessen wie der Luftdruck, nämlich in mmQS, Torr oder in Millibar bzw. Hectopascal.

Derjenige Dampfdruckwert, der dem Sättigungszustand entspricht, wird als Sättigungsdruck oder als Dampfdruckmaximum (Dunstdruckmaximum) bezeichnet. Die Differenz von Sättigungsdruck und Dampfdruck wird Sättigungsdefizit (Dampfhunger) genannt.

Zufälligerweise sind die Zahlenwerte des in mmQS angegebenen Sättigungsdruckes (p) und des in g/m³ angegebenen Sättigungsmaximums (f) für die in der Atmosphäre vorkommenden Temperaturen annähernd gleich. Die nachfolgende Tabelle gibt die Werte dieser Größen für den Temperaturbereich zwischen -10 ^oC und + 29 ^oC wieder.

Infolge dieser Gleichheit der Zahlenwerte kann bei nicht allzu genauen Messungen das Sättigungsdefizit auch als Differenz von Sättigungsmaximum und absoluter Feuchtigkeit berechnet werden.

Es gilt also:

Sättigungsdefizit [mm QS] = Sättigungsdruck [mmQS] - Dampfdruck [mmQS]

oder angenähert:

Sättigungsdefizit [g/m³] = Sättigungsmaximum [g/m³] - absolute Feuchtigkeit [g/m³].

Da sich der Wasserdampf der Luft nahezu wie ein ideales Gas verhält, ist das Verhältnis des Dampfdruckes zum Sättigungsdruck mit großer Annäherung gleich dem Verhältnis der absoluten Feuchtigkeit zum Sättigungsmaximum, also gleich der relativen Feuchtigkeit.

Es gilt also praktisch:

Relative Feuchtigkeit = Dampfdruck / Sättigungsdruck

und entsprechend:

Dampfdruck = Relative Feuchtigkeit x Sättigungsdruck.

Ein weiterer in der Meteorologie wichtiger Begriff ist der des Taupunktes. Kühlt man die Luft, die eine bestimmte Menge Wasserdampf enthält, ab, so tritt bei einer bestimmten Temperatur die Ausscheidung von flüssigem Wasser ein. Die Temperatur, bei der die Luft beginnt, Wasser auszuscheiden, bezeichnet man als den Taupunkt. Bei der Temperatur des Taupunktes ist jener Zustand erreicht, bei dem die absolute Feuchtigkeit gleich dem Sättigungsmaximum ist. Bei einer weiteren Abkühlung muß die Luft einen Teil des vorhandenen Wasserdampfes wieder abgeben; dieser beginnt sich in Form von Tautröpfchen auszuscheiden.

Will man die absolute Feuchtigkeit der Luft ermitteln, so kühlt man sie künstlich ab und mißt dabei die Temperatur, bei der es zu tauen beginnt. Die absolute Feuchtigkeit ist gleich dem Sättigungsmaximum für die Temperatur des Taupunktes. Enthält die Luft viel Wasserdampf, so liegt der Taupunkt nahe der Lufttemperatur, ist die Luft trocken, so liegt der Taupunkt tiefer.

Zusammenfassung:

1. Die absolute Feuchtigkeit ist die Menge des Wasserdampfes in Gramm, die in einem Kubikmeter Luft enthalten ist.
2. Das Sättigungsmaximum ist die Feuchtigkeitsmenge, die ein Kubikmeter Luft bei einer bestimmten Temperatur maximal aufnehmen kann.
3. Die relative Feuchtigkeit ist das Verhältnis der absoluten Feuchtigkeit zum Sättigungsmaximum.
4. Der Dampfdruck ist der Teildruck des Wasserdampfes im Gasgemisch " Luft ".
5. Der Sättigungsdruck ist der höchstmögliche Druck des Wasserdampfes bei einer bestimmten Temperatur.
6. Das Sättigungsdefizit ist die Differenz von Sättigungsdruck und Dampfdruck oder Sättigungsmaximum und absoluter Feuchtigkeit
7. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft beginnt, Wasser auszuscheiden.

Quelle: Reiner J. - Die meteorologischen Instrumente, Pössneck 1949

Hygrometer - Service und Wartung

(stoe-pr) Hygrometer sollten von Zeit zu Zeit regeneriert und neu justiert werden. Hierzu schlägt man sie für ca. 2 Stunden in ein nasses Tuch ein. Danach sollte der Zeiger auf 95% relative Feuchte zeigen. Tut er das nicht, so muss an der Einstellschraube nachjustiert werden..

Die Messhaare müssen staubfrei gehalten werden. Man kann sie mit einem weichen Pinsel in Richtung der Haare entstauben oder vorsichtig mit destilliertem Wasser abwaschen.

Echthaarhygroskope sind in erster Linie für Messungen im Freien bei Temperaturen von -30 ^oC bis +60 ^oC geeignet. Zur Verwendung in Innenräumen gibt es Hygrometer mit synthetischen Haaren die weitgehend wartungsfrei sind. Diese kann man leicht an der nahezu linearen Skaleneinteilung erkennen. Menschliche, echte Haare haben dagegen eine auffallend nichtlineare Ausdehnung. Die Prozent-Intervalle werden zunehmend enger.

Das Polymeter

(stoe-pr) Eine besondere Bauart des Haarhygrometers ist das "Polymeter". Es wurde von der Firma Lambrecht in Göttingen entwickelt und im Jahre 1880 zum Patent angemeldet (Abb. 2).

Wie der Name schon sagt, ist es eine Mehrfachmeßgerät und besteht aus einem Thermometer und einem Haarhygrometer. Mit dieser Kombination lassen sich folgende Größen direkt ablesen: die Lufttemperatur, die relative Feuchtigkeit und der Sättigungsdruck.

Oberhalb des Hygrometers befindet sich das Thermometer. Auf diesem sind links der Kapillare die Temperaturgrade [^oC], rechts der zu jeder Temperatur gehörende Sättigungsdruck [mmQs] angegeben. Dieser ist zahlenmäßig annähernd gleich dem Sättigungsmaximum [g/m³]. Mit dem Thermometer lassen sich daher die Temperatur und der Sättigungsdruck bzw. das Sättigungsmaximum bestimmen.

Das Hygrometer selbst verfügt über zwei Skalen. Die untere gibt den relativen Feuchtigkeitsgehalt der Luft in Prozenten an. Die obere dient zur annähernden Bestimmung der Temperatur des Taupunktes. Die vom Zeiger angezeigte Gradzahl gibt dabei die Differenz zwischen der herrschenden Lufttemperatur und der Taupunkttemperatur an. Zur Bestimmung der Temperatur des Taupunktes zieht man von der gemessenen Lufttemperatur des Thermometers die auf der oberen Hygrometerskala angezeigte Gradzahl ab.

Dabei hat das Zeigerende oftmals drei Spitzen. Die rechte Spitze gilt dann für Lufttemperaturen um 0 ^oC, die mittlere für Temperaturen um 10 ^oC und die linke für Ablesungen um die 20 ^oC (Abb. 1).

Daraus berechnen kann man nun noch: den Dampfdruck, die absolute Feuchtigkeit und das Sättigungsdefizit.

Wahrlich ein universelles Messinstrument.

Das Bild links zeigt die Wetterregeln für das Polymeter von Dr. A Troska um 1900.

Lambrecht's Thermohygroskop
Gerhard Stöhr 2004.2

(stoe) Mit einem üblichen Haarhygrometer können wir die relative Luftfeuchtigkeit messen. Das ist, wie wir oben erfahren haben, der Quotient aus dem Sättigungsmaximum und der absoluten Feuchtigkeit der Luft und wird in Prozent angegeben. Gleichzeitig bedeutet dies aber, dass sich eine der beiden Komponenten ändern kann, ohne dass dies an der Anzeige auffällt. Immer dann nämlich, wenn sich die zweite Komponente zugleich ausgleichend verhält.

So kann sich z.B. die absolute Luftfeuchtigkeit von 3,5g/m³, im Tagesverlauf auf 7,7g/m³, also um mehr als das Doppelte erhöhen, ohne dass es vom Hygrometer erkannt wird, wenn sich gleichzeitig die Temperatur von 7^oC auf 18^oC erhöht. Es steigt der Taupunkt an, die Luft kann mehr Wasser aufnehmen, das Hygrometer wird deshalb beide Male unverändert 50% rel. Luftfeuchtigkeit anzeigen.

Lambrecht hat nun das Messelement eines Thermometers mit dem Messelement eines Hygrometers so sinnreich kombiniert, dass das Verhalten der absoluten Luftfeuchtigkeit ersichtlich wird. Zwischen der Bimetallspirale und der Anzeigevorrichtung ist ein etwa 12cm langer Haarstrang eingefügt, der je nach Zu- und Abnahme der relativen Feuchtigkeit, die Anzeige additiv oder subtraktiv unterstützt (Abb. unten).

Steigt die relative Feuchtigkeit an und bleibt die Temperatur stabil, so wird sich das Haarbündel verlängern, der Zeiger fällt. Ein Zeichen dafür, dass die absolute Feuchtigkeit zugenommen hat. Gleiches passiert bei zunehmender Temperatur und gleich bleibender relativer Feuchtigkeit.

Umgekehrt verkürzt sich der Haarstrang bei abnehmender Temperatur und/oder abnehmender Luftfeuchtigkeit, da die absolute Feuchte abnimmt.

Das Steigen des Zeigers kündigt also im allgemeinen günstige, das Sinken desselben ungünstige Wetterbedingungen an.

Zur Konstruktion des Instrumentes lesen wir in [Ref.188, p.30ff]:

"Die wesentlichen Teile sind eine Bimetall-Doppelspirale (S) aus Zink und Eisen und ein präparierter Haarstrang (H), der von dem Ende (a) der Spirale ausgeht, durch eine Öse (r) und über die Rolle (O) des bei (O) drehbaren Zeigers (Z) geführt ist, an welchem das zweite Ende des Haarstranges befestigt ist. Die Öse (r) sitzt an der Feder (f) und kann durch Drehen der Schraube (s) gehoben oder gesenkt werden. Senkt man die Öse, so wird der Haarstrang angespannt und dadurch der Zeiger (Z) gehoben. Hebt man die Öse an, so wird der Haarstrang schlaff und der Zeiger (Z) sinkt infolge seines Gewichtes herab (siehe Werkzeichnung!). Auf diese Weise lässt sich das Instrument täglich 'nullen'."

Ubrigens - interessanterweise ist ebenfalls in [Ref.188, p.26] zu lesen , dass die Haarlänge vom Zustand "absoluter Trockenheit" bis zur "vollständigen Durchfeuchtung", sich etwa um 1/40 verlängert!

Der Messvorgang selbst sieht nun folgendermaßen aus:
Das Instrument soll in freier Luft, nicht in Bodennähe, sowie fern von Gewässern senkrecht aufgehängt werden. Morgens um 8.00Uhr wird die Anzeige auf "Null" gestellt und abends, etwa eine Stunde vor Sonnenuntergang jedoch nicht später als 18.00Uhr, wird abgelesen.

Allein, die Angaben des Thermohygroskops, das ja nur anzeigt ob und wie sich die absolute Luftfeuchtigkeit geändert hat, genügt jedoch noch nicht für eine Wettervorhersage. Es muss hierfür auch noch der jeweilige Stand des Luftdrucks mit berücksichtigt werden. Deshalb kombinierte Lambrecht das Thermohygroskop mit seinem Holosterikbarometer und nannte diese Kombination "Wettertelegraph". Eine noch zusätzlich angebrachte "Prognosentafel mit Zeigerbildern" sollte dem Betrachter eine Vorhersage erleichtern.

Der "Lambrecht'sche Wettertelegraph" erlebte im letzten Jahrzehnt des 19.Jh., bis hin zum Beginn des 1. Weltkrieges eine große Verbreitung in den "Lambrecht'schen Wettersäulen", die damals auf vielen öffentlichenm Plätzen installiert und zu einem großen internationalen Verkaufserfolg der Göttinger Firma wurden.

Voraussetzung für die richtige Funktion des Wettertelegraphs ist wie gesagt, seine Benützung im Freien (jedenfalls was das Thermohygroskop anbelangt), sodass offensichtlich Instrumente für den Hausbedarf weniger stark nachgefragt wurden. Dies würde jedenfalls die relative Seltenheit dieser Instrumente heute erklären. Aber vielleicht war ja auch der Preis daran Schuld.

Quelle: H. Hartl - Einführung in die Wetterkunde - Göttingen 1903

© Gerhard Stöhr 2004