Atemwolken: Warum unser Atem bei Kälte sichtbar wird

Die Tage werden kürzer, die Morgen kälter – und auf dem Weg zur Arbeit, zur Schule oder mit dem Hund steht sie plötzlich wieder vor dem Gesicht: die eigene kleine Atemwolke. Sie gehört zu den ersten Zeichen der kalten Jahreszeit. Und sie ist ein kleines Physik-Experiment, das wir mit jedem Atemzug selbst vorführen.

Warum unser Atem so feucht ist Bevor Luft in der Lunge ankommt, wird sie vorbereitet: Vor allem die oberen Atemwege erwärmen und befeuchten sie, in der Luftröhre geht das weiter. Bis zur Gabelung der Luftröhre hat die Atemluft normalerweise Körpertemperatur, also rund 37 Grad, und 100 Prozent relative Feuchte erreicht. Sie ist dann mit Wasserdampf gesättigt, so beschreibt es ein Fachbuchkapitel zur Atemtherapie aus der Intensivmedizin.

Was wir ausatmen, ist deshalb warm und reich an Wasserdampf. Dieser Dampf ist ein Gas – und als Gas ist er unsichtbar. Sichtbar wird Wasser in der Luft erst, wenn es wieder flüssig wird.

Warme Luft trägt mehr Wasser Der entscheidende Punkt: Wie viel Wasserdampf die Luft aufnehmen kann, hängt stark von der Temperatur ab. Physikerinnen und Physiker drücken das über den sogenannten Sättigungsdampfdruck aus. Eine Tabelle in einem Physik-Skript der Universität Heidelberg zeigt, wie steil dieser Wert ansteigt: 6,1 Hektopascal bei 0 Grad, 12,3 bei 10 Grad, 23,3 bei 20 Grad und 42,4 bei 30 Grad. Grob gesagt verdoppelt er sich mit jeweils zehn Grad mehr. Luft von 30 Grad kann also rund siebenmal so viel Wasserdampf halten wie Luft am Gefrierpunkt.

Atmen wir aus, trifft unsere warme, feuchte Atemluft auf kalte Außenluft und kühlt ab. Kalte Luft kann aber viel weniger Wasserdampf halten. Ein Teil des Dampfes kondensiert deshalb – er wird wieder zu flüssigem Wasser.

Der Taupunkt als Schwelle Fachleute sprechen vom Taupunkt. Der Deutsche Wetterdienst beschreibt ihn als die Temperatur, auf die ungesättigte Luft bei gleichbleibendem Druck abkühlen muss, damit sie gesättigt ist. Wird diese Schwelle unterschritten, bilden sich Tröpfchen – am Morgen etwa als Nebel über Wiesen und Feldern, vor unserem Mund als Atemwolke.

Ganz allein schafft der Wasserdampf das übrigens nicht. Damit sich Tröpfchen bilden, braucht er winzige Teilchen in der Luft, zum Beispiel Staub, Pollen oder kleine Salzkristalle. Sie wirken als Kondensationskeime: Wassermoleküle lagern sich an ihnen leichter an als aneinander. Laut dem Heidelberger Skript schweben typischerweise 100 bis 1000 solcher Teilchen in jedem Kubikzentimeter Luft.

Und dass wir die Wolke sehen, liegt an genau diesen Tröpfchen: Anders als der gasförmige Dampf streuen sie das Licht. In Wolken sind die Tröpfchen nach Angaben eines Beitrags des Deutschen Wetterdienstes etwa 1 bis 15 Mikrometer groß und streuen das Sonnenlicht gleichmäßig – deshalb erscheinen sie weiß.

Kein fester Grenzwert Ab wie viel Grad man seinen Atem sieht, lässt sich nicht pauschal sagen. Neben der Temperatur zählt, wie feucht die Umgebungsluft schon ist. Ist sie bereits nah an der Sättigung, reicht wenig Abkühlung, und die Atemwolke zeigt sich auch bei milderen Temperaturen. Ist die Luft dagegen sehr trocken, kann die ausgeatmete Feuchtigkeit so schnell verdunsten, dass kaum etwas zu sehen ist – selbst wenn es kalt ist.

Dazu passt, dass die Wolke meist schnell wieder verschwindet: Die Atemluft verteilt sich in der Umgebung, und Luft, die nicht gesättigt ist, kann noch Wasserdampf aufnehmen. Die Tröpfchen verdunsten dann wieder und werden erneut zu unsichtbarem Dampf.

Nebel zum Nachmachen Das Prinzip „feuchtwarme Luft trifft auf kalte Luft“ kennen Meteorologinnen und Meteorologen auch im großen Maßstab, als Mischungsnebel. Dabei vermischen sich feuchtwarme und kalte Luft, die Mischung ist schnell gesättigt, und der Taupunkt wird unterschritten. In einem Beitrag des Deutschen Wetterdienstes wird dazu ein einfaches Experiment beschrieben: Nach einem warmen Bad an einem feuchtkalten Tag das Badfenster öffnen. Binnen Sekunden hängt dann dichter Nebel im Bad.

Wer in diesen Tagen morgens vor die Tür tritt, erzeugt mit jedem Ausatmen eine kleine Wolke nach einem ähnlichen Muster. Ein kurzer Moment Physik, der nichts kostet – und der den grauen Novembermorgen ein bisschen spannender macht.