Atmosphärendruck

Der Luftdruck an einem beliebigen Ort der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht.

Standardatmosphäre von 1976 bis in 90 km Höhe

Dieser Druck entsteht durch die Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem auf ihr befindlichen Körper steht (Druck und Gewichtskraft stimmen nicht überein, man kann aber die eine Größe aus der anderen berechnen). Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre beträgt auf Meereshöhe 101325 Pa = 1013,25 hPa  (Hektopascal) = 1,01325 bar = 1013,25 mbar (Millibar) und ist somit ein Teil der Normalbedingungen.

Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck im Zusammenhang mit Reifen, wo es für den Reifenfülldruck, das ist die Differenz von Reifen-Innendruck und Außendruck der Atmosphäre, steht. Der Schallwechseldruck, den wir hören, ist nicht der Luftdruck. Für den Atmosphärendruck anderer Himmelskörper siehe den Artikel Atmosphäre.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·1015 Tonnen und die Erdoberfläche beträgt etwa 510·106 km². Da der Druck als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck unter Berücksichtung der Schwerkraft ein globaler Überschlagswert von 1,01·105 N/m². In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich kleiner als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kleiner und damit der Luftdruck niedriger. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell immer bei einer Höhenzunahme und sein Gradient (eigentlich korrekt: seine erste Ableitung) wird über eine barometrische Höhenformel angenähert.

In der Horizontalen erfährt jeder Mensch und neben ihm auch jegliche andere Störung der Erdatmosphäre aus jeder Richtung den gleichen Druck. Spürbar ist dabei allerdings immer nur die Differenz zwischen Körperinnen- und Außendruck, die im Gleichgewicht gleich groß sind. Differenzen ergeben sich nur bei verhältnismäßig schnellen Druckänderungen, z.B. der Fahrt mit einer Seilbahn auf einen Berg. Besonders empfindlich auf Druckunterschiede ist dabei das Ohr, für den nötigen Ausgleich sorgt die Eustachi-Röhre. Der Umgebungsdruck ist Grundvoraussetzung dafür, dass der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit austrocknet, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt (vgl. Siedepunkt).

Einheiten

Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die ebenfalls gesetzlich zulässige (SI-konforme) Einheit Bar (Einheitenzeichen bar = 105 Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa, also rund 100.000 Pa beträgt, wird er meistens mit dem Faktor 100 in Hektopascal (1013,25 hPa) oder mit gleichem Zahlenwert Millibar (mbar) angegeben. Der Luftdruck wird meistens mit einem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden. Dabei ist 1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mmHg oder Millimeter Quecksilbersäule). Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei diese alten Einheiten wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck oder Atmosphäre Unterdruck nach dem Einheitenrecht nicht mehr zulässig sind.

Variabilität und Extremwerte

Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 1013,25 hPa bzw. mbar und ist damit Teil der Normalbedingungen sowie vieler Standardbedingungen.

Abnahme mit der Höhe

Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe
Hauptartikel: Barometrische Höhenformel.

Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe – in Bodennähe um etwa 1 hPa (= früheres Millibar) je 8 Meter. Er kann angenähert durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden. Bei einer konstant angenommenen Temperatur von 0 °C beträgt der Druck in der Höhe H

p(H)=p_0\ \mathrm{exp}\left(\frac{-H}{7990}\,\mathrm m\right) \,.

(Quelle: Kuchling, Taschenbuch der Physik). Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5,5 km Höhe und 10 % des Bodenwertes p0 in etwa 18,4 km über dem Meer.

Tagesgang

Tagesgang des Luftdrucks in Nordfriesland. Schwarze Kurve zeigt den Luftdruckverlauf. Die blaue Kurve zeigt die Ein-Stunden-Tendenz, die grüne Kurve die Drei-Stunden-Tendenz. Die rote Kurve zeigt die lineare Regression.

Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Er folgt dabei den Schwankungen der Lufttemperatur, wodurch sich ein stärkerer 12-Stunden-Rhythmus (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stunden-Rhythmus (circadian von lateinisch dies der Tag) zeigen. Die Maxima finden sich gegen 10 und 22 Uhr, die Minima gegen 4 und 16 Uhr (Sommerzeit beachten). Die Amplituden sind breitengradabhängig. In Äquatornähe liegen die Schwankungen bei Werten bis zu 5 hPa. In den mittleren Breiten liegen die Schwankungen bei etwa 0,5 bis 1 hPa. Die Kenntnis des örtlichen Tagesganges des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt zu beobachten ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird. Nur bei hinreichend genauer Messapparatur und stabilen Hochdruckwetterlagen ist es möglich, diese Schwankungen ungestört zu beobachten.

Eine Darstellung des Tagesgangs, so wie er in Norddeutschland aufgezeichnet wurde, ist hier rechts zu sehen.

Extrem niederfrequente (0,2 Hz) und schwache Überlagerungen des Luftdrucks, die Bestandteil des Hintergrundrauschens sind und als Folge von Wettererscheinungen und Seegang auftreten, werden Mikrobarome genannt. Ihre Amplituden liegen unter einem Pascal.

Jahresgang

Der Jahresgang des Luftdrucks, basierend auf entweder Tages- oder Monatsmitteln als langjährige Durchschnittswerte, zeigt eine geringe, aber auch vergleichsweise komplexe Schwankung zwischen den einzelnen Monaten. Dabei zeigt sich ein Minimum im April, verantwortlich für den Begriff des Aprilwetters, und vergleichsweise hohe Werte für Mai und September (Altweibersommer).

Luftdruck-Rekorde

Der historische globale Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869,9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifik gemessen (Taifun Tip). Für Deutschland beträgt der Niedrigstwert 908 hPa und wurde am 23. Juli 2007 in Cottbus erfasst. Hierbei handelt es sich wohl aber um einen Messfehler, da Wetterkarten aus Archiven auf keinen derart niedrigen Luftdruck schließen lassen.

Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 hPa in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst. Der Rekordhalter für Deutschland ist Berlin mit 1057,8 hPa am 23. Januar 1907.

Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden wurde im Oktober 2005 bei Hurrikan Wilma mit 98 hPa gemessen. Der Kerndruck fiel bis auf 882 hPa. Bei Taifun Forrest wurde im September 1983 im nordwestlichen Pazifik ein Druckabfall von 92 hPa innerhalb von 24 Stunden gemessen.

Luftdruck, Gewicht der Luftsäule

(Werte siehe oben, Punkte „Eigenschaften“ und „Luftdruck-Rekorde“)

Mit g \approx 10\, \frac{\mathrm{m}} {\mathrm{s}^2} und (1Pa = 1N/m2 = 1·(kg·m/s2)/m2 = 0,1kg·(10m/s2)/m2 = 0,1·(kg/m2)·g = 10-5·(kg/cm2)·g) folgt:

Luftdruck: ca.105 N/m² Masse der Luftsäule der Erde ≈ 10t/m² ≈ 100kg/dm² ≈ 1kg/cm².

86990 Pa (hist. globaler Niedrigstwert)  ⇒ m (min) ≈ 8,7 t/m²

101325 Pa (mittlere Luftdruck)    ⇒ m (mittel) ≈ 10,1 t/m²

108570 Pa   (hist. globaler Maximalwert)     ⇒ m (max) ≈ 10,9 t/m²

Masse der Luftsäule der Erde besitzt eine Schwankungsbreite von ≈ 2 t/m²

Experimente und Messung

Hauptartikel: Barometer.

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dieses waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.

Wassersäule

Ein anderes Experiment, das auch zur genauen Messung verwendet werden kann, ist ein einseitig verschlossenes und mehr als zehn Meter langes Glasrohr. Es wird zu erst horizontal in ein Wassergefäß gelegt, so dass die Luft entweicht. Richtet man es auf mit der Öffnung unter Wasser und der verschlossenen Seite nach oben, so stellt sich eine maximale Höhe ein, bis zu der der Wasserspiegel sich durch den auf der umliegenden Wasseroberfläche lastenden Luftdruck empordrücken lässt. Dieses sind etwa zehn Meter, bei hohem Luftdruck mehr, bei niedrigem Luftdruck weniger. Im Hohlraum ist dann beinahe ein Vakuum, das allerdings durch etwas Wasserdampf „verunreinigt“ ist. Man bezeichnet dieses als ein Flüssigbarometer, wobei Evangelista Torricelli stattdessen Quecksilber nutzte, das bereits nach 760 mm abreißt und kaum verdampft. Ein anderes Instrument zur Luftdruckmessung nach diesem Prinzip ist das Goethe-Barometer.

Prinzip des Dosenbarometer

Heute werden meistens Dosen-Barometer verwendet, die eine sogenannte Vidie-Dose oder einen Stapel derartiger Dosen enthalten. Dabei handelt es sich um einen dosenartigen Hohlkörper aus dünnem Blech, der mit einem Zeiger verbunden ist. Steigt der Luftdruck, so wird die Dose zusammengedrückt, der Zeiger bewegt sich. Damit die Messung unabhängig von der Temperatur ist, befindet sich in der Dose ein Vakuum, da sich darin befindliche Luft bei Erwärmung ausdehnen würde. Trotzdem gibt es temperaturabhängige Messfehler. Um diese klein zu halten, werden Legierungen mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.

Eine weitere Möglichkeit den Luftdruck zu erfassen, bietet ein Sturmglasbarometer, das sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.

Bedeutung

Luftdrucktendenz
Symbol Beschreibung
Steigend
Steigend, dann leicht fallend
Steigend, dann stabil
Leicht steigend, dann fallend
Leicht fallend oder stabil, dann steigend
Stabil
Fallend
Fallend, dann leicht steigend
Fallend, dann stabil

Meteorologie

Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck in Form von Isobaren auch das wichtigste Element in Wetterkarten darstellt. Für die Wettervorhersage von Bedeutung ist der Luftdruck auf einer fest definierten Höhe in der Erdatmosphäre, die so gewählt ist, dass keine Störungen des Drucks durch Gebäude oder kleinräumige Geländeformen zu erwarten sind, also ohne eine Beeinträchtigung durch Reibung des Luftstromes am Boden in der sogenannten freien Atmosphäre. Eine Messung, die sich auf die Höhe der Erdoberfläche über Normalnull bezieht (sogenannter absoluter Luftdruck), würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks wiedergeben. Um dieses auszugleichen und die Werte damit vergleichbar zu machen, bedient man sich einer Reduktion auf Meereshöhe (sogenannter relativer Luftdruck). Für das Wettergeschehen in Bodennähe sind vor allem die dortigen Unterschiede des Luftdrucks von Interesse. Sie führen zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Zwischen ihnen setzt der Wind als Ausgleichsströmung ein.

Luftfahrt

Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind. Die Flughöhe des Luftfahrzeugs wird also über den dort herrschenden statischen Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein unerwartet niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen und damit zu gefährlichem Niedrigflug verleiten (Merksatz: „Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muss vor und ggfs. auch während eines Fluges der Höhenmesser auf den aktuell am Boden herrschenden Luftdruck eingestellt werden.

Ab einer bestimmten Übergangshöhe oder Transition Altitude (s. Hauptartikel Flughöhe) werden alle Höhenmesser auf den Standarddruck von 1013,25 hPa eingestellt. Die Anzeige hat dann zwar keinen festen Bezug mehr zur tatsächlichen Flughöhe, aber da der absolute Messfehler für alle Luftfahrzeuge gleich groß ist, wird das Risiko von Kollisionen aufgrund unterschiedlicher Höhenanzeigen minimiert.

Folgende Luftdruckangaben finden in der Luftfahrt Verwendung:

  • QFE: der tatsächliche Luftdruck am Messort; ein auf QFE eingestellter Höhenmesser zeigt die Höhe über dem Messort an.
  • QNH: der rückgerechnete Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO-Standardatmosphäre (15 °C, 0,65 Grad Temperaturgradient / 100 m); ein auf QNH eingestellter Höhenmesser zeigt die Höhe über Normalnull an.
  • QFF: der rückgerechnete Luftdruck auf Meereshöhe unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiterer Faktoren.

Auf Flugplätzen wird überwiegend der QNH-Wert verwendet, während in der Meteorologie der QFF-Wert verwendet wird, um Luftdruckwerte an verschiedenen Orten und Ortshöhen vergleichen zu können.

Die sogenannten Q-Gruppen (feste Abkürzungen im Funkverkehr) stammen noch aus der Zeit der drahtlosen Telegraphie (Morse Code).

Schifffahrt

Der Luftdruck spielt in der Schifffahrt eine große Rolle, da rasche Luftdruckänderungen meistens schnelle Wetterveränderungen bewirken.

Ein rasches Fallen des Luftdrucks bedeutet in der Mehrzahl der Fälle Starkwind- oder Sturmgefahr. Die Bedeutung der Luftdruckabnahme pro Zeitraum für eine Windprognose ist jedoch breitengradabhängig. Fällt der Luftdruck in unseren Breiten um mehr als 1 bis 2 Hektopascal in einer Stunde, gibt es mit hoher Wahrscheinlichkeit Starkwind oder Sturm.

Starker Druckanstieg bedeutet nicht umgekehrt immer rasche Windzunahme.

Siehe auch

Weblinks


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