Tau – der stille Begleiter kühler Nächte

Wie feuchte Luft und nächtliche Abkühlung winzige Wasserperlen entstehen lassen

Wenn sich an einem Herbstmorgen die ersten Sonnenstrahlen über die Wiesen des Saaletals legen, glitzern auf Grashalmen, Blättern und Spinnweben unzählige kleine Wassertröpfchen. Obwohl es während der Nacht nicht geregnet hat, sind viele Oberflächen deutlich feucht. Dieses alltägliche, aber physikalisch bemerkenswerte Phänomen nennen wir Tau.

Tau gehört zu den charakteristischen Erscheinungen klarer und windschwacher Nächte. Besonders im Herbst sind die Bedingungen häufig günstig: Die Nächte werden länger, die Erdoberfläche verliert über viele Stunden Wärme und die Luft enthält oftmals noch beträchtliche Mengen Wasserdampf.

Die Entstehung von Tau ist eng mit dem Strahlungshaushalt der Erdoberfläche, der Luftfeuchtigkeit und dem sogenannten Taupunkt verbunden. Dabei kann die Temperatur einzelner Oberflächen deutlich unter die Temperatur der umgebenden Luft sinken.

Bemerkenswert ist, dass Tau nicht unbedingt dann entsteht, wenn die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe den Taupunkt erreicht. Entscheidend sind vielmehr die Temperatur und die Feuchteverhältnisse unmittelbar an der jeweiligen Oberfläche.

Für die Wetterstation Brachwitz bietet Tau deshalb eine interessante Möglichkeit, die Unterschiede zwischen standardisierten Lufttemperaturmessungen und den tatsächlichen Bedingungen unmittelbar über dem Erdboden zu verstehen.

Kernaussagen

Tau entsteht, wenn Wasserdampf aus der Luft an ausreichend kühlen Oberflächen kondensiert und sich dort als flüssiges Wasser niederschlägt.

Die Voraussetzung ist, dass die Luft unmittelbar an der Oberfläche den Sättigungszustand gegenüber flüssigem Wasser erreicht. Das geschieht häufig, wenn die Oberfläche bis unter den Taupunkt der angrenzenden Luft abkühlt.

Besonders günstig für die Taubildung sind klare Nächte, schwacher Wind und eine ausreichend hohe Luftfeuchtigkeit. Unter solchen Bedingungen kann die Erdoberfläche durch langwellige Wärmeabstrahlung stark auskühlen.

Grashalme, Blätter und andere dünne Oberflächen reagieren besonders schnell auf Veränderungen ihrer Strahlungsbilanz. Sie können deutlich kälter werden als die Luft in zwei Metern Höhe.

Tau ist von Reif zu unterscheiden. Während Tau aus flüssigen Wassertröpfchen besteht, bildet sich Reif aus Eis, häufig durch direkte Ablagerung von Wasserdampf an Oberflächen unterhalb des Gefrierpunkts.

Die Taumenge hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Luftfeuchtigkeit, Oberflächentemperatur, Wind, Bewölkung und der Dauer geeigneter Bedingungen.

Meteorologischer Hintergrund

Die Atmosphäre enthält nahezu immer Wasserdampf. Seine Konzentration verändert sich mit der Wetterlage, der Jahreszeit und den örtlichen Bedingungen.

Wasserdampf ist unsichtbar. Erst wenn er zu flüssigen Wassertröpfchen kondensiert oder Eispartikel entstehen, wird Wasser in der Luft oder auf Oberflächen sichtbar.

Ein wichtiger Begriff ist der Sättigungsdampfdruck.

Er beschreibt den Wasserdampfdruck, bei dem sich über einer ebenen Wasseroberfläche bei einer bestimmten Temperatur ein Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Kondensation einstellen kann.

Mit steigender Temperatur nimmt der Sättigungsdampfdruck stark zu.

Kühlt sich feuchte Luft ab, während ihr tatsächlicher Wasserdampfgehalt zunächst annähernd gleich bleibt, steigt die relative Luftfeuchtigkeit.

Bei einer bestimmten Temperatur wird der Sättigungszustand erreicht.

Diese Temperatur wird als Taupunkt bezeichnet.

Der Taupunkt ist damit ein Maß für den tatsächlichen Wasserdampfgehalt der Luft. Je höher er liegt, desto mehr Wasserdampf enthält die Luft bei gleichem Luftdruck im Allgemeinen.

Für die Taubildung ist jedoch nicht allein die Lufttemperatur entscheidend.

Eine Oberfläche kann durch ihre Strahlungsbilanz deutlich kälter werden als die umgebende Luft.

Dieser Vorgang beginnt häufig nach Sonnenuntergang.

Während des Tages nimmt die Erdoberfläche kurzwellige Sonnenstrahlung auf. Ein Teil dieser Energie wird gespeichert, ein anderer Teil an die Atmosphäre abgegeben.

Nach Sonnenuntergang entfällt die direkte Sonnenstrahlung weitgehend.

Die Erdoberfläche sendet aber weiterhin langwellige Wärmestrahlung aus.

Gleichzeitig erhält sie langwellige Gegenstrahlung aus der Atmosphäre.

Wenn die abgegebene Strahlungsenergie größer ist als die aufgenommene, entsteht ein negativer Nettostrahlungsfluss.

Die Oberfläche verliert Energie und kühlt ab.

Besonders bei klarem Himmel kann dieser Energieverlust erheblich sein.

Wolken würden einen Teil der vom Boden abgegebenen Wärmestrahlung absorbieren und selbst zusätzliche langwellige Strahlung in Richtung Erdoberfläche aussenden.

Fehlt eine dichte Wolkendecke, kann die nächtliche Auskühlung deshalb stärker ausfallen.

Grashalme und Blätter sind für diesen Prozess besonders empfindlich.

Sie besitzen eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität und sind thermisch nur begrenzt mit tieferen Bodenschichten verbunden.

Dadurch können sie ihre Temperatur relativ schnell verändern.

Ein Grashalm kann beispielsweise bereits auf zwei Grad Celsius abgekühlt sein, während die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe noch fünf Grad Celsius beträgt.

Liegt der Taupunkt der Luft bei drei Grad Celsius, kann die Luft unmittelbar am kühleren Grashalm gesättigt werden.

Wasserdampf kondensiert an seiner Oberfläche.

Es entstehen kleine Wassertröpfchen.

Die Lufttemperatur der Wetterstation muss dabei nicht bis auf drei Grad Celsius gefallen sein.

Dieser Unterschied ist für die richtige Interpretation meteorologischer Messwerte besonders wichtig.

Eine standardisierte Lufttemperaturmessung erfolgt üblicherweise in etwa zwei Metern Höhe in einem geeigneten Strahlungsschutz.

Sie soll die Temperatur der Luft möglichst unbeeinflusst von direkter Sonneneinstrahlung und Wärmestrahlung einzelner Oberflächen erfassen.

Die Temperatur eines Grashalms ist dagegen eine Oberflächentemperatur.

Beide Größen können sich insbesondere in klaren Nächten deutlich unterscheiden.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Windgeschwindigkeit.

Bei schwachem Wind kann sich unmittelbar über dem Boden eine relativ kalte Luftschicht ausbilden.

Gleichzeitig bleibt der Wärmeaustausch mit der wärmeren Luft darüber begrenzt.

Dadurch können Gräser und andere Oberflächen stark auskühlen.

Ein leichter Luftaustausch kann die Taubildung unterstützen, weil ständig neuer Wasserdampf an die kühle Oberfläche transportiert wird.

Bei stärkerem Wind kann die Oberfläche dagegen durch turbulenten Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft erwärmt werden.

Dadurch sinkt häufig die Wahrscheinlichkeit einer ausgeprägten Taubildung.

Die Wirkung des Windes ist also nicht ausschließlich auf die Durchmischung der Luft beschränkt.

Er beeinflusst auch den Transport von Wasserdampf und Wärme unmittelbar an der Oberfläche.

Die Bildung von Tau setzt außerdem voraus, dass ausreichend Wasserdampf vorhanden ist.

In sehr trockener Luft liegt der Taupunkt weit unter der aktuellen Lufttemperatur.

Die Oberfläche müsste sich dann entsprechend stark abkühlen, um Kondensation zu ermöglichen.

Bei feuchter Luft ist die Taupunktdifferenz dagegen häufig klein.

Schon eine vergleichsweise geringe Abkühlung kann ausreichen.

Ein Beispiel verdeutlicht den Zusammenhang.

Beträgt die Lufttemperatur am Abend acht Grad Celsius und der Taupunkt sechs Grad Celsius, ist die Luft bereits relativ feucht.

Kühlt sich die Grasoberfläche im Verlauf der Nacht auf fünf Grad Celsius ab, kann Tau entstehen.

Liegt der Taupunkt dagegen bei minus zwei Grad Celsius, müsste die Oberfläche wesentlich stärker auskühlen.

Unter sonst gleichen Bedingungen ist die Taubildung dann weniger wahrscheinlich.

Interessant ist auch die Frage, wie viel Wasser sich als Tau niederschlagen kann.

Die entstehende Wassermenge hängt von der verfügbaren Feuchtigkeit, der Dauer der Kondensation und den Austauschprozessen zwischen Luft und Oberfläche ab.

Während der Kondensation wird latente Wärme frei.

Diese Wärmefreisetzung wirkt der weiteren Abkühlung der Oberfläche teilweise entgegen.

Die Taubildung ist damit nicht nur ein passiver Vorgang, sondern beeinflusst selbst die Energiebilanz.

In der Regel sind die Taumengen deutlich geringer als bei einem gewöhnlichen Regenereignis.

Trotzdem können sie für bestimmte Pflanzen und kleine Organismen eine wichtige Feuchtigkeitsquelle darstellen.

Besonders in trockenen Regionen kann die regelmäßige Bildung von Tau ökologisch bedeutsam sein.

Auch in Mitteleuropa spielt Tau eine Rolle für die nächtliche und morgendliche Benetzung von Pflanzenoberflächen.

Diese Feuchtigkeit kann einerseits den Wasserhaushalt beeinflussen, andererseits aber auch die Entwicklung bestimmter Pflanzenkrankheiten begünstigen.

Denn viele Pilzerkrankungen benötigen über längere Zeit feuchte Blattoberflächen, um sich erfolgreich auszubreiten.

Damit besitzt Tau auch eine praktische Bedeutung für Landwirtschaft und Gartenbau.

Ein weiterer interessanter Zusammenhang betrifft die Beschaffenheit der Oberfläche.

Nicht jedes Material wird gleich schnell von Tau benetzt.

Metall, Glas, Pflanzenblätter, Holz und Stein besitzen unterschiedliche thermische Eigenschaften.

Auch ihre Oberflächenstruktur und Benetzbarkeit beeinflussen, wie sich das kondensierte Wasser verteilt.

Auf manchen Blättern bilden sich nahezu kugelförmige Tropfen.

Auf anderen Oberflächen verteilt sich das Wasser als dünner Film.

Die Form der Tropfen wird wesentlich durch die Oberflächenspannung des Wassers und die Wechselwirkung mit dem jeweiligen Material bestimmt.

Besonders eindrucksvoll ist dies an Spinnweben zu beobachten.

An den feinen Fäden können sich zahlreiche kleine Tropfen bilden, die im Morgenlicht wie eine Perlenkette erscheinen.

Dabei beeinflussen die Struktur und die Benetzbarkeit der Fäden die Verteilung des Wassers.

Auch die örtliche Geländeform kann die Taubildung beeinflussen.

Im Saaletal bei Brachwitz können sich in klaren, windschwachen Nächten Kaltluftansammlungen entwickeln.

Kalte Luft strömt unter geeigneten Bedingungen entlang von Hängen ab und sammelt sich in tiefer gelegenen Bereichen.

Dadurch können dort niedrigere Temperaturen auftreten als auf benachbarten Anhöhen.

Wenn gleichzeitig ausreichend Feuchtigkeit vorhanden ist, können diese Bedingungen die Bildung von Tau begünstigen.

Allerdings können sich bei stärkerer Abkühlung auch Nebel oder Reif entwickeln.

Tau und Nebel beruhen zwar beide auf Kondensationsprozessen, unterscheiden sich aber hinsichtlich ihres Entstehungsortes.

Tau bildet sich unmittelbar an einer Oberfläche.

Nebel besteht dagegen aus schwebenden Wassertröpfchen oder Eiskristallen in der bodennahen Atmosphäre.

Beide Erscheinungen können gleichzeitig auftreten, müssen es aber nicht.

Eine weitere Abgrenzung betrifft den Reif.

Wenn die Temperatur einer Oberfläche unter null Grad Celsius sinkt, kann sich Wasserdampf direkt als Eis ablagern.

Dieser Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand wird als Resublimation oder Deposition bezeichnet.

Die dabei entstehenden Eiskristalle bilden den typischen weißen Reifbelag.

Daneben kann bereits vorhandener Tau gefrieren, wenn die Temperatur später unter den Gefrierpunkt sinkt.

Die resultierende Eisablagerung kann anders aussehen als direkt entstandener Reif.

Für die Wetterstation Brachwitz wäre eine systematische Beobachtung der Taubildung besonders interessant.

Dazu könnten die nächtlichen Verläufe von Lufttemperatur, Taupunkt und Windgeschwindigkeit miteinander verglichen werden.

Zusätzlich wären Messungen der Oberflächentemperatur von Gras oder Blättern hilfreich.

Auch die Wetterkamera könnte genutzt werden, um den Zustand der Landschaft am Morgen zu dokumentieren.

Allerdings lässt sich Tau auf gewöhnlichen Übersichtsaufnahmen häufig nur eingeschränkt erkennen.

Für eine genaue Untersuchung wären Nahaufnahmen oder zusätzliche Sensoren sinnvoll.

Besonders aufschlussreich wäre die Frage, wie häufig Tau auftritt, obwohl die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe deutlich über dem Taupunkt liegt.

Solche Beobachtungen würden anschaulich zeigen, wie stark sich die Bedingungen unmittelbar an einer Oberfläche von den standardisierten meteorologischen Messwerten unterscheiden können.

Schon gewusst?

Tau kann sich auch auf Gegenständen bilden, die sich nicht direkt auf dem Erdboden befinden.

Ein bekanntes Beispiel sind Autoscheiben.

In klaren Nächten können sie durch langwellige Wärmestrahlung so stark auskühlen, dass ihre Temperatur unter den Taupunkt der umgebenden Luft fällt.

Dann beschlagen die Scheiben auf der Außenseite.

Sinkt ihre Temperatur unter den Gefrierpunkt, können sich stattdessen Eisablagerungen bilden.

Auch Dächer, Geländer und Gartenmöbel können auf diese Weise feucht werden.

Bemerkenswert ist außerdem, dass eine Oberfläche bereits Tau tragen kann, während ein daneben angebrachtes Thermometer noch mehrere Grad über dem Taupunkt anzeigt.

Der Grund liegt in den unterschiedlichen Messgrößen: Das Thermometer erfasst die Lufttemperatur, während die Oberfläche ihre eigene Energiebilanz besitzt.

Ein weiterer interessanter Zusammenhang betrifft die sogenannte Taupunkttemperatur.

Sie verändert sich bei konstantem Luftdruck und unverändertem Wasserdampfgehalt wesentlich weniger durch die bloße Erwärmung oder Abkühlung der Luft als die relative Luftfeuchtigkeit.

Deshalb ist der Taupunkt häufig besonders hilfreich, um die tatsächliche Feuchtigkeit einer Luftmasse zu beurteilen.

Steigt die Lufttemperatur tagsüber deutlich an, kann die relative Luftfeuchtigkeit stark sinken, obwohl sich die Wasserdampfmenge kaum verändert hat.

Der Taupunkt bleibt unter diesen Bedingungen annähernd konstant.

Für die Beobachtung des Wetters ist außerdem wichtig, dass Tau nicht mit Niederschlag im engeren meteorologischen Sinn gleichgesetzt werden sollte.

Regen und Schnee entstehen in Wolken und fallen aus der Atmosphäre zur Erdoberfläche.

Tau bildet sich dagegen unmittelbar durch Kondensation an der Oberfläche.

Diese Unterscheidung ist auch bei der Interpretation von Niederschlagsmessungen bedeutsam.

Eine feuchte Wiese am Morgen bedeutet nicht automatisch, dass während der Nacht messbarer Regen gefallen ist.

Tau zeigt auf besonders anschauliche Weise, wie eng die unsichtbaren Eigenschaften der Atmosphäre mit sichtbaren Erscheinungen in unserer Landschaft verbunden sind.

Was am Morgen wie eine einfache Ansammlung kleiner Wassertropfen aussieht, ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels aus Wärmestrahlung, Luftfeuchtigkeit, Oberflächentemperatur und Wasserdampftransport.

Gerade im Saaletal bei Brachwitz lohnt es sich deshalb, an klaren Herbstmorgen genauer hinzusehen. Die glitzernden Tropfen auf Gräsern und Blättern sind nicht nur ein schöner Anblick, sondern auch ein unmittelbar sichtbares Ergebnis der physikalischen Prozesse unserer Atmosphäre.