Versuch_6_Verdunstung

Versuch 6
Verdunstungsmessung
A: Grundlagen:
An der Wasser – Luft – Grenzfläche gibt es 2 Gruppen von Übertragungsprozessen einmal die
Übertragung von Energie und Impuls und die Übertragung von Stoffen/Molekülen. Außerdem
gibt es Prozesse, die gleichzeitig Energie und Stoff transportieren, wie zum Beispiel die
Verdunstung. Sie bewirkt nicht nur einen Übergang des Wasserdampfes sondern auch einen
Wärmeübergang.
Die Grenzschicht Wasser – Luft ist eine laminare Grenzschicht, in ihr wird der Transport
durch molekulare Prozesse beschrieben. Sie hat eine Höhe von < 1cm. Vertikale Gradienten
sind in dieser Schicht nur schwer zu erfassen. Über der laminaren Grenzschicht existiert eine
Reibungsschicht. Der vertikale Transport von Impuls, Wärme und Wasserdampf sowie von
Partikeln erfolgt durch Turbulenz. In den ersten Metern dieser Schicht sind die vertikalen
Flüsse annähernd mit der Höhe konstant. Dieser Bereich ist gekennzeichnet durch maximal
entwickelte Turbulenz.
Der Transport von Impuls, Wärme und Wasserdampf erfolgt immer in Richtung des Gefälles,
entgegen dem Gradienten der betreffenden Größe (z.B. Wasserdampf) und ist proportional zur
Stärke des Gradientens.
Nach dem empirischen Gesetz von Dalton kann man die Masse des verdunstenden Wassers
(hier als Verdunstungshöhe in mm/d ausgedrückt) zum einen aus der Differenz zwischen dem
Sättigungsdampfdruck Es an der zu verdunstenden Oberfläche und dem aktuellen
Dampfdruck e, und zum anderen aus einem windabhängigen Term, der den Luftaustausch der
bodennahen Luftschichten durch Wind berücksichtigt, abschätzen:
Empirisches Gesetz von Dalton:
hv  f (u)  ( Es 0   e )
(1)
Die World Meteorological Organization (WMO) schlägt folgenden Zusammenhang für f(u)
vor.
f (u )  0.173  0.1245  u
17.1  
Es  6.1078 * exp(
)
Dampfdruck Magnus-Formel:
235  
Dieser Zusammenhang kann im Labor überprüft werden.
Windabhängiger Term:
(2)
(3)
Dazu wird in eine Petrischale (Durchmesser dP) Wasser gefüllt und die Masse des
verdunstenden Wassers m innerhalb einer bestimmten Zeit t mit einer empfindlichen
Waage bestimmt. Die Verdunstungshöhe in der Petrischale ist dann
4  m
(4)
hv 
  W  d p2  t
Hv .......... Verdunstungshöhe [mm/d=kg/(m2 d)]
f(u) ........ [mm d-1 hPa-1]
Es .......... Sättigungsdampfdruck an der verdunstenden Oberfläche [hPa]
e ............ aktueller Dampfdruck [hPa] im Labor (Psychrometermessung)
u ............ Windgeschwindigkeit in 2m Höhe [m/s]
ρw .......... Dichte von Wasser [1000kg/m³]
dP .......... Durchmesser der Petrischale [m]
m ........... Masse des Wassers [kg]
 .......... Lufttemperatur [°C] im Labor (Psychrometermessung)
 0 ......... Temperatur an der Wasseroberfläche [°C] bestimmt mit einem IR-Thermometer
B: Liste der Geräte
Ventilator, Flügelradanemometer, Psychrometer, Stoppuhr, Waage (Betriebsanleitung),
Petrischalen, Becherglas, IR-Thermometer (Batterie kontrollieren)
C: Versuchsaufbau und Durchführung
1. Verdunstungsmessung
In der Natur würde der Messaufbau folgendermaßen aussehen (Die Beziehung (1) gilt nur für
eine gegenüber der höchsten Messhöhe als unendlich ausgedehnt anzusehnende Fläche):
Das lässt sich mit unserer Wasseroberfläche (Petrischale) nicht erreichen, so dass die
Verdunstungshöhe nach Gl. (1) nicht exakt bestätigt werden kann. Außerdem messen wir den
Wind nicht in 2 m Höhe, sondern direkt über der Wasseroberfläche. Der Wasserdampfstrom,
der aus der Verdunstungshöhe pro Zeit bestimmt wird, ist größer. Der Hauptgrund dafür ist
der so genannte Oaseneffekt (Baumgartner und Liebscher, 1996). Da es sich bei der
Petrischale nicht um eine „unendlich“ ausgedehnte Oberfläche handelt ist die Verdunstung
viel stärker als über einem offenen Gewässer. Dies ist bei der Auswertung zu berücksichtigen.
Hier ist folgender Messaufbau zu wählen:
1.1 Bestimmen Sie die Lufttemperatur  und den Wasserdampfpartialdruck e im Raum mit
einem Psychrometer.
1.2 Füllen Sie 30 ml Wasser aus der bereitstehenden Flasche (Raumtemperatur, warum?) in
eine Petrischale und stellen Sie diese auf die Waage.
1.3 Beobachten Sie den durch die Verdunstung eintretenden Massenverlust. Bestimmen Sie
den Massenverlust im Abstand von 1 Minute (10 Minuten lang) und registrieren Sie
gleichzeitig die Wasseroberflächentemperatur mit dem IR-Thermometer. Prüfen Sie, ob
ein zur Gl. (1) vergleichbarer Wert der Verdunstung angegeben werden kann
(Windgeschwindigkeit u=0m/s).
1.4 Bestimmen Sie die Windgeschwindigkeit am Messplatz MP1 in ca. 40 cm Abstand vom
Ventilator (Schalterstellung III , u1) auf der Arbeitsfläche (Kiste) und am Messplatz MP2
in ca. 90 cm Abstand vom Ventilator (Schalterstellung I, u2) auf der Arbeitsfläche mittels
eines Flügelradanemometers.
1.5 Füllen Sie erneut 30 ml Wasser aus der bereitstehenden Flasche (vorher benutztes Wasser
wegschütten). Messen Sie die Wasseroberflächentemperatur  0 mittels
Infrarotthermometer und lesen Sie die Masse ab. Tragen Sie die Petrischale zum
Messplatz (absetzen), und stellen Sie die Petrischale erneut auf die Wage. Die jetzt
beobachtete Massendifferenz ist die Verdunstung, die in 1.6 abgezogen werden muss,
warum?
1.6 Stellen Sie die Petrischale auf den Messplatz MP1, und schalten Sie den Ventilator für 2
Minuten ein (u1). Lesen Sie alle 20 Sekunden die Oberflächentemperatur ab (bei der
Auswertung berücksichtigen!) und bestimmen Sie danach erneut die Masse des
verdunsteten Wassers. Führen Sie eine solche Messung am MP2 bei einer
Strömungsgeschwindigkeit u2 durch.
1.7 Führen Sie eine gleiche Messung am MP1 und MP2 mit Salzwasser (2. Flasche) durch.
1.8 Vergleichen Sie die von Ihnen gemessenen Verdunstungshöhen mit denen nach Gl. (1)
bzw. Gl. (4) berechneten, indem Sie Ihre Messungen von hv über hv nach Gleichung (1)
graphisch darstellen. Wie groß ist in all diesen Fällen der latente Wärmestrom in
Watt/m2? Stellen Sie alle Messwerte grafisch dar. Bestimmen Sie den Korrekturfaktor für
den „Oaseneffekt“.
2. Beobachten der molekularen Grenzschicht
Am Messplatz 1 (Ventilator Schalterstellung III) wird die Oberflächentemperatur des mit
Wasser (Raumtemperatur) gefüllten Becherglases 3 Minuten beobachtet. Die Anfangstemperatur ist bei Windstille abzulesen. Protokollieren Sie alle 10 s die Temperatur. Schalten
Sie den Ventilator aus und rühren Sie das Wasser um. Was beobachten Sie? Warum gibt es an
der Wasseroberfläche eine molekulare Grenzschicht?
Fragen zur Vorbereitung:
Verdunstungswärme von Wasser.
Was ist ein Lysimeter?
Anlage: Bedienungsanleitung Elektronische Präzisionswaage
Literatur
Thomas Foken: Angewandte Meteorologie, Springer, Berlin 2003