Luft

Aus Brand-Feuer.de
Zur Navigation springenZur Suche springen
das Variometer zeigt 3,5 m/s steigen in der (Thermik / aufsteigende Luft) an
Foto: Rainer Schwarz
Vier-Elemente-Lehre
ohne Luft kein Feuer
mit einem solchen Barographen wurde die geflogene Höhe / Luftdruck von Segelflugzeugen dokumentiert
Foto: Rainer Schwarz

Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). Daneben gibt es noch die Komponenten Argon (0,9 %), Kohlenstoffdioxid (0,04 %), Wasserstoff und Wasserdampf in Spuren. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos.

Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Aktuelle Luftdaten Website des Umweltbundesamtes
Quellen der Luftschadstoffe


Zusammensetzung

Zusammensetzung der Luft
Gas Formel Volumenanteil Massenanteil
Hauptbestandteile der Trockene Luft|trockenen Luft auf Meereshöhe
Stickstoff N2 78,084 %< 75,518 %
Sauerstoff O2 20,942 %<ref name="Elizabeth Kay Berner, Robert A. Berner" /> 23,135 %
Argon Ar 0,934 %<ref name="Elizabeth Kay Berner, Robert A. Berner" /> 1,288 %
Zwischensumme 99,960 % 99,941 %
Gehalt an Spurengasen (eine Auswahl)
Kohlenstoffdioxid CO2 0,040 % oder
400  Parts per million|ppm
0,059 % oder
590 ppm
Neon Ne 18,18 ppm 12,67 ppm
Helium He 5,24 ppm 0,72 ppm
Methan CH4 1,85 ppm 0,97 ppm
Krypton Kr 1,14 ppm 3,30 ppm
Wasserstoff H ~500 ppb 36 ppb
Distickstoffoxid N2O 328 ppb 480 ppb
Kohlenstoffmonoxid CO 100–250 ppb<ref name="dwd.de">Deutscher Wetterdienst: Wetter und Klima - Kohlenmonoxid (CO), abgerufen am 26. November 2019</ref> 100–250 ppb
Xenon Xe 87 ppb<ref name="Möller2003"/> 400 ppb
Dichlordifluormethan (CFC-12) CCl2F2 520 [[Parts per trillion|ppt 2200 ppt
Trichlorfluormethan (CFC-11) CCl3F 234 ppt 1100 ppt
Chlordifluormethan (HCFC-22) CHClF2 253 ppt 480 ppt
Tetrachlorkohlenstoff CCl4 81 ppt<ref name="nodc.noaa.gov" /> 510 ppt
Trichlortrifluorethan (CFC-113) C2Cl3F3 71 ppt<ref name="nodc.noaa.gov" /> 520 ppt
1,1-Dichlor-1-fluorethan (HCFC-141b) CCl2F-CH3 26 ppt<ref name="DOI10.5194/os-15-33-2019" /> 70 ppt
1-Chlor-1,1-difluorethan (HCFC-142b) CClF2-CH3 23 ppt 50 ppt
Schwefelhexafluorid SF6 8 ppt 25 ppt
Bromchlordifluormethan CBrClF2 4 ppt 25 ppt
Bromtrifluormethan CBrF3 3,4 ppt<ref name="DOI10.1002/2015JD024488" /> 13 ppt
Gehalt an radioaktiven Stoffen
Radiokohlenstoff 14CO2 10−13 %
Radon Rn 10−19 %
Gesamtmasse (trocken) 100 % t
Wasser +0,4 % +0,013 · 1015 t
Gesamtmasse (feucht) 100,4 % 5,148 · 1015 t

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechtstehenden Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterscheidet. Luft wird meistens mit Hilfe des Linde-Verfahrens (Destillation von flüssiger Luft) in ihre Bestandteile zerlegt.


Stickstoff

Als ein chemisch Inerte Substanz|inees Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.
Beim Tauchen in größeren Tiefen (mehr als 60 m) wird Stickstoff in der Druckflasche durch Helium ersetzt. Anderenfalls kann es durch den im Körper zusätzlich gelösten Stickstoff (höherer Partialdruck) beim Aufstieg zur Oberfläche zur Dekompressionserkrankung (Caissonkrankheit) kommen (Ausperlen des überschüssigen, gelösten Stickstoffs, aufgrund der Abnahme des Umgebungsdrucks). Zudem wirkt bei zu hohem Stickstoffpartialdruck (ab 3,2 bar = ca. 30 m) der Stickstoff narkotisch, was zu dem sogenannten Tiefenrausch führen kann.


Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihren oxidierenden Charakter. Der Sauerstoff wird unter anderem für fast alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.


Argon

Argon ist ein Edelgase|Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne große Bedeutung für die Chemie. Dank seiner Reaktionsträgheit wird Argon beim Schweißen als Schutzgas eingesetzt oder auch wegen seiner relativ zur Luft kleineren Wärmeleitfähigkeit als Dämmung für Fensterscheiben (Isolierverglasung). In Glühlampen kommt Argon wegen dieser beiden Eigenschaften zum Einsatz.


Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, sondern enthält zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Pol (Geographie)|Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Luftfeuchtigkeit|Feuchtemaße angegeben. Nach oben hin nimmt der Wasserdampfgehalt rasch ab, sodass er gemittelt über die gesamte Atmosphäre nur 0,4 % beträgt.


Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach Metastabilität|metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Physikalische Konstante|Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen.

Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlenstoffdioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursachen für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlenstoffdioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet.

Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen. Deren niedrige Konzentrationen können schon durch vergleichsweise geringe anthropogene Emissionen beeinflusst werden. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.


Variabilität im Raum

Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitestgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.


Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenstoffmonoxid und Ozon vorhanden.

Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:

  • Fluoroform
  • Peroxyacetylnitrat
  • Chloroxide
  • andere Stickoxide (neben N2O)
  • Schwefeldioxid
  • Radon
  • Quecksilber


Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxid]s (umgangssprachlich oft auch als Kohlendioxid bezeichnet) liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioen besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene (vom Menschen herbeigeführte) Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen.


Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Sommersmog|Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.


Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid (umgangssprachlich oft auch als Kohlenmonoxid bezeichnet) ist ein unsichtbares brennbares Gift|giftiges Gas, das bei Verbrennungen mit Sauerstoffmangel entsteht. Es blockiert den Sauerstofftransport im Blut und kann schon in geringen Dosen zum Tod führen. Auch schädigt es die Photosynthese der Pflanzen. Es wird u. a. in Automotoren erzeugt, so dass Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Katalysator bis zu 4 % Kohlenstoffmonoxid enthalten sollen. Die Hauptquelle für Kohlenstoffmonoxid sind jedoch mit ca. 60 % Emissionen aufgrund von Bränden der Vegetation.


physikalische Größen der Luft

Temperaturabhängigkeit
Temperatur
[°C]
Schallgeschwindigkeit
[m/s]
Luftdichte
[kg/m3]
Schallkennimpeda]]
[N·s/m3]
−10 325,4 1,341 436,6
−5 328,5 1,317 432,5
0 331,5 1,293 428,5
+5 334,5 1,270 424,6
+10 337,5 1,247 420,8
+15 340,5 1,225 417,1
+20 343,4 1,204 413,5
+25 346,3 1,184 410,0
+30 349,2 1,164 406,6


Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3.

ein "Luft-Messer" für den Luftdruck im Reifen.
Foto: Rainer Schwarz

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung Beschleunigung|beschleunigt Luftsäule erzeugt einen Statik (Physik)|statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und Dynamik (Physik)|dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig. Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.


Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist.

Die genaue Definiti]] durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.


Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfes an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtmaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.


andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s.

Trockene Luft hat eine molare Masse von 28,9644 g/mol (Wert der Standardatmosphäre; der tatsächliche Wert schwankt etwas mit der genauen Zusammensetzung der Luft). Die Molmasse von Wasserdampf beträgt nur ca. 18 g/mol. Deshalb ist Luftfeuchtigkeit|feuchte Luft leichter.

Die Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft.

Spezifische Wärmekapazität:

 = 1,005 kJ/(kg·K) = 0,279 kWh/(Tonne·K) (isobar])
 = 0,718 kJ/(kg·K) = 0,199 kWh/(Tonne·K) (isochor)


Luftverunreinigung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dampf|Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen).

In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgenen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der Dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel[Volksrepublik China|China noch ein erhebliches Problem.


kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Vier-Elemente-Lehre, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonische Körper|Platonischen Körper zugeordnet.




zurück zur Sach- und Fachkunde


oder zur Hauptseite




Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Luft aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Bilder können unter abweichenden Lizenzen stehen. Der Urheber und die jeweilige Lizenz werden nach einem Klick auf ein Bild angezeigt.