Krümmungseffekt

Bei Bildung von Flüssigkeitspartikel an Kondensationskernen tritt der Krümmungseffekt auf. Es zeigt sich dabei, dass über den gekrümmten Oberflächen der entstehenden Flüssigkeitstropfen ein höherer Sättigungsdampfdruck auftritt, als im Vergleich zu einer ebenen Wasseroberfläche. Dies liegt an der höheren Oberflächenspannung der Tropfen (siehe Young-Laplace-Gleichung), gegen die Arbeit verrichtet werden muss. Den genauen Zusammenhang spiegelt die nach Lord Kelvin benannte Kelvin-Gleichung (auch Thomson-Gleichung) wider:

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Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• E_r – Sättigungsdampfdruck über dem Tropfen (Messung)
• E_s – Sättigungsdampfdruck über einer ebenen Flüssigkeitsoberfläche (Magnus-Formel)
• R_w – Gaskonstante für Wasserdampf = 461,6 J/(kg·K)
• σ – Oberflächenspannung (temperaturabhängig)
• ρ_w – Dichte des Wassers
• r – Tropfenradius

Die Gleichungen zeigen im Fall von Wasser für einen Tropfen von 1 µm einen um 12 % erhöhten Sättigungsdampfdruck, welcher jedoch bei 10 µm nur noch um 1,2 % und bei 0,1 mm nur noch um 0,12 % vom planaren Vergleichsdruck abweicht. Je kleiner also die Tropfen sind, desto einfacher verdampfen sie wieder. Dies hat vor allem bei der Tropfenbildung in der Atmosphäre durch Nukleation bzw. Kondensation zur Folge, dass eine Dampfdruckeröhung bzw. Übersättigung notwendig wird, um die Tropfen bei Reduzierung des Tropfenradius in einem Gleichgewicht zu halten.

Literatur

• Zmarsly, Kuttler W., Pethe H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart; ISBN 3825222810