Wasser, Wasserdampf und Eis

Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die sich ziemlich asymmetrisch an ein Sauerstoffatom angelagert haben. Dadurch ist das Molekül an einer Seiter elektrisch positiv, an der anderen Seite negativ geladen (im Bild durch " + " bzw. " - " gekennzeichnet:

Dadurch kann ein Wasserstoffmolekül ein Sauerstoffmolekül anziehen. Diese Art der Bindung nennt man "Wasserstoff-Brückenbindung":

Binden sich auf diese Weise viele Moleküle, nennt man das Wasser. An der Wasseroberfläche sind die Moleküle nicht so stark gebunden wie mitten im Wasser. An der Wasseroberfläche können sich auch Wassermoleküle leicht ablösen und durch die Luft schwirren. Andererseits können sie sich auch leicht wieder anlagern. Halten sich Wassermoleküle in der Luft auf, nennt man das Wasserdampf. Diese Definition unterscheidet sich drastisch von der Alltagssprache: Hier versteht man unter Wasserdampf z.B. sichtbare Wolken über einem Teekessel. Für den Physiker ist das aber bereits wieder kondensierter Wasserdampf, also Wassertropfen.

Beim Wasserdampf gibt es infolge der großen Molekülgeschwindigkeiten keine Wasserstoff-Brückenbindung.

Wieviel Moleküle sich in der Luft tummeln, hängt von Temperatur und Luftdruck ab. Man nennt das die "relative Luftfeuchte" und gibt sie in Prozent an. Bei 100 % Luftfeuchte ist die Luft gesättigt, sie kann keine Wassermoleküle mehr aufnehmen. Ist die Luftfeuchte größer, kondensiert der Wasserdampf zu Wasser.

Das gilt nur für ebene Wasserflächen. Bei Wassertropfen oder Wolkentropfen sieht das aber anders aus:

Durch die Krümmung sind beim Wolkentropfen die Wassermoleküle nicht so fest gebunden wie bei einer ebenen Wasserfläche - es können leichter Tropfen in die Luft entweichen. Das heißt aber, daß die relative Feuchte über Tropfen größer ist. Und zwar umso größer, je kleiner der Tropfen ist. Umgekehrt kann Wasserdampf nur bei extrem hohen Luftfeuchten zu Tropfen kondensieren. Gibt es nur Wasserdampf und keine Tropfen, so muß die relative Luftfeuchte 600 % betragen, damit sich die Moleküle zusammenschließen und erste winzige Tröpfchen bilden. So hohe Feuchten gibt's nicht in der Atmosphäre, höchstens 104 %. Die Tropfen müssen sich somit auf eine andere Weise bilden.

Beim Eis ist schließen sich die Wassermoleküle über die Wasserstoffbrückenbindung zu einem symmetrischen Sechseck zusammen, einem Hexagon
Eis .
Hier kann man schon die symmetrische Struktur der Schneesterne erahnen.
Dieses Hexagon bindet die Moleküle fester als beim Wasser. Die Folge: Es können sich nur wenige Moleküle aus diesen Ketten losreißen und als Wasserdampf in der Luft herumschwirren. Die relative Luftfeuchte muß also über Eis kleiner sein als über Wasser.

Zusammenfassend kann man sagen: Die relative Luftfeuchte ist über Eis kleiner als über einer ebenen Wasserfläche; über dieser ist die Feuchte wiederum kleiner als über einem Tropfen. Diese Feststellung ist wichtig für die Bildung von Wolkentropfen und Niederschlag.