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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