Luft

Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Trockene Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (rund 78 Vol%) und Sauerstoff (rund 21 Vol%). Daneben gibt es noch die Komponenten Argon (0,9 Vol%), Kohlenstoffdioxid (0,04 Vol%), Wasserstoff und andere Gase in Spuren. Wasserdampf ist in wechselnden Mengen (im Mittel 0,4 Vol%) enthalten, aber in den obigen Werten nicht mitgerechnet. Im natürlichen Zustand ist die Luft farb-, geruch- und geschmacklos.

Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen zum Überleben notwendig, die ihn durch die Atmung für ihren Stoffwechsel benötigen. Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Inhaltsverzeichnis

Zusammensetzung

Zusammensetzung der Luft
Gas Formel Volumenanteil Massenanteil
Hauptbestandteile der trockenen Luft bei Normalnull
Stickstoff N2 78,084 % 75,518 %
Sauerstoff O2 20,942 % 23,135 %
Argon Ar 0,934 % 1,288 %
Zwischensummen 99,960 % 99,941 %
Gehalt an Spurengasen
Kohlenstoffdioxid CO2 0,038 % oder 380 ppm 0,058 %
Neon Ne 18,180 ppm 12,67 ppm
Helium He 5,240 ppm 0,72 ppm
Methan CH4 1,760 ppm 0,97 ppm
Krypton Kr 1,140 ppm 3,30 ppm
Wasserstoff H2 ~500 ppb 36 ppb
Distickstoffoxid N2O 317 ppb 480 ppb
Kohlenstoffmonoxid CO 50–200 ppb 50–200 ppb
Xenon Xe 87 ppb 400 ppb
Dichlordifluormethan (CFC-12) CCl2F2 535 ppt 2200 ppt
Trichlorfluormethan (CFC-11) CCl3F 226 ppt 1100 ppt
Chlordifluormethan (HCFC-22) CHClF2 160 ppt 480 ppt
Tetrachlorkohlenstoff CCl4 96 ppt 510 ppt
Trichlortrifluorethan (CFC-113) C2Cl3F3 80 ppt 520 ppt
Methylchloroform CH3-CCl3 25 ppt 115 ppt
1,1-Dichlor-1-Fluorethan (HCFC-141b) CCl2F-CH3 17 ppt 70 ppt
1-Chlor-1,1-difluorethan (HCFC-142b) CClF2-CH3 14 ppt 50 ppt
Schwefelhexafluorid SF6 5 ppt 25 ppt
Bromchlordifluormethan CBrClF2 4 ppt 25 ppt
Bromtrifluormethan CBrF3 2,5 ppt 13 ppt
Gesamtmasse (trocken) 5,135 · 1015 t
Gesamtmasse (feucht) 5,148 · 1015 t

Die Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der Tabelle rechts wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterscheidet. Luft kann mittels Destillation von flüssiger Luft in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meistens mit Hilfe des Linde-Verfahrens.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes 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. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben mengenmäßig keinen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet.

Beim Tauchen in Tiefen von über 60 Meter wird Stickstoff in der Druckflasche durch Helium ersetzt, da Stickstoff bei einem zu hohem Partialdruck (ab 3,2 bar, entspricht etwa 30 Metern) zunehmend narkotisch wirkt, was zu dem sogenannten Tiefenrausch führt.

Sauerstoff

Der Sauerstoff der Luft ist über die Photosynthese entstanden, wobei die im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt. Er verleiht der heutigen Atmosphäre ihren oxidierenden Charakter und stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar, das für die biologische Atmung und die chemischen Verbrennungsvorgänge benötigt wird. Auf den menschlichen Körper wirkt Sauerstoff ab einem Partialdruck von etwa 1,5 Bar vergiftend, das entspricht bei der Sauerstoffkonzentration der Luft einem Überdruck von sechs Bar.

Argon und Spuren anderer Edelgase

Argon ist als Edelgas äußerst reaktionsträge und mit fast 1 % Gehalt relativ häufig. So ist es kostengünstig und wird als Inertgas etwa beim Metallschweißen und zur Füllung von Glühlampen eingesetzt. Dort und als Füllung von Mehrscheiben-Isolierglas nutzt man die relativ zu Luft geringere Wärmeleitfähigkeit. Teures, rares Krypton dient in Spezialfällen als noch besseres Wärme-Isoliergas.

Argon entsteht langsam durch radioaktiven Zerfall von Kalium-40, ist stabil und dichter als Luft und verbleibt daher in der Atmosphäre. Aus manchem Gestein dringt als Glied radioaktiver Zerfallsreihen Radon, das sich wegen seiner hohen Dichte in Kellern anreichern kann und strahlend weiterzerfällt.

Helium wird bei jedem radioaktiven Alpha-Zerfall frei, das kleine Atom ist sehr beweglich, sickert aus der Erde, ist viel leichter als Luft und entweicht in den Weltraum - wo es häufig ist. Auch das zweitleichtesten Edelgas Neon verflüchtigt sich dorthin, sodass von diesen beiden nur Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Helium über Luftverflüssigung zu gewinnen war extrem teuer. Es staut sich beim Aufstieg aus der Erde verschiedentlich in Erdgaslagerstätten und wird längst mit aufwendigen Anlagen als Erdgasbeiprodukt gewonnen. Nur mit Helium lassen sich tiefste Temperaturen erzeugen, es ist das unbrennbare Traggas für Ballons.

Neon färbt Gasentladungsröhren rot, es werden jedoch alle - stabilen - Edelgase eingesetzt, von der Glimmlampe bis zum Laser.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht trocken, sondern enthält zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf. Der Wasserdampfgehalt schwankt zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Er wird durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben. Da er leichter als Luft (62,5 % des Luftgewichtes) ist, steigt an Wasserdampf reiche Luft nach oben, wo dann in entsprechend kälteren Luftschichten Kondensation auftritt. Oberhalb davon ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass über die gesamte Atmosphäre gemittelt nur 0,4 % Wasserdampf in der Luft sind.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, es sind keine Naturkonstanten. In der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre veränderte sich die Zusammensetzung ständig, die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen und im Lauf der Zeit hat sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren liegt die Mischung unserer heutigen Atmosphäre vor.

Eine aktuelle Veränderung der Luftzusammensetzung ist die Zunahme des Kohlenstoffdioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursachen für die globale Erwärmung. Nach seinem Anteil ist Kohlenstoffdioxid ein Spurengas, aber als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen wird es 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 durch vergleichsweise geringe Emissionen beeinflusst werden. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse in Abhängigkeit von der Höhe.

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 erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause nimmt die Konzentration schwerer Gase mit der Höhe ab und erfolgt die relative Anreicherung leichterer Gase. In der hohen Atmosphäre sind Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase wird entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Weiterhin sind Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenstoffmonoxid und Ozon vorhanden.

Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Mengen auf:

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids (umgangssprachlich oft auch als Kohlendioxid bezeichnet) liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese. Die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration wirkt stark auf das Pflanzenwachstum. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also die Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, schwanken die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt ist im Jahresverlauf vorhanden, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Auf der Nordhalbkugel besteht ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November. 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, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist ein bestimmter Wert nur schlecht zu bestimmen.

Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid (umgangssprachlich oft auch als Kohlenmonoxid bezeichnet) ist ein unsichtbares brennbares giftiges Gas, das bei Verbrennungen von kohlenstoffhaltigen Substanzen bei 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 bildet sich im Automotor, Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Katalysator können bis zu 4 % Kohlenstoffmonoxid enthalten. Hauptquelle für Kohlenstoffmonoxid sind mit ca. 60 % Emissionen aus Bränden der Vegetation.

Physikalische Größen der Luft

Temperaturabhängigkeit
Temperatur
[°C]
Schallgeschwindigkeit
[m/s]
Luftdichte
[kg/m3]
Schallkennimpedanz
[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

Mittlere Molmasse

Die mittlere Molmasse ergibt sich aus dem Verhältnis der Molmassen und der Volumenkonzentrationen der Bestandteile der Luft, hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. Für trockene Luft ist der exakte Wert 28,964 g/mol, der für praktische Belange auf 29 g/mol gerundet werden kann. Der exakte Wert ergibt sich wie folgt:
(14,0067 g/mol * 2 * 0,78) + (15,999 g/mol * 2 * 0,21) + (39,948 g/mol * 0,01)
wobei 14,0067 g/mol die Molmasse von Stickstoff, 15,999 g/mol die von Sauerstoff und 39,948 g/mol die von Argon ist. Die Faktoren 0,78 und 0,21 und 0,01 geben die Volumenanteile an. Die 2 bei Sauerstoff und Stickstoff ist nötig, weil diese Gase in der Luft als zweiatomige Moleküle vorliegen.

Luftdichte

Unter Normbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3[1].

Luftdruck

Hauptartikel: Luftdruck

Die Gewichtskraft der Luftsäule erzeugt einen statischen Druck. Dieser Druck hängt gemäß der barometrischen Höhenformel von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Zusätzlich ist der Luftdruck vom Wetter abhängig. Wind und allgemein Änderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. Ein Barometer zur Messung des Luftdrucks gehört daher zur Grundausstattung von Wetterstationen. Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.

Lufttemperatur

Hauptartikel: Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird die Temperatur der bodennahen Luft bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition in Wissenschaft und Technik ist unterschiedlich. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür häufig weiß gestrichene Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Hauptartikel: 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 angegeben.

Andere Werte

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

Trockene Luft hat eine formale 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 feuchte Luft geringfügig leichter.

Der Brechungsindex 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.

Spezifische Wärmekapazität:

c_p \, = \, 1,005 \; {\mathrm kJ}/({\mathrm kg} \cdot {\mathrm K}) (Isobare Zustandsänderung)
c_v \, = \, 0,718 \; {\mathrm kJ}/({\mathrm kg} \cdot {\mathrm K}) (Isochore Zustandsänderung)

Die Wärmeleitfähigkeit λ von Luft ist unter Normalbedingungen 0,0261 \; {\mathrm W}/ ({\mathrm m} \cdot {\mathrm K}).

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, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von Bedeutung sind erhöhte Ozonwerte für den Smog und Schwefeldioxidkonzentrationen für den sauren Regen.

In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist für Länder der Dritten Welt sowie Schwellenländer wie China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. siehe Stöcker 2007, S. 714
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