Luft

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Luft (Begriffsklärung) aufgeführt.
Zusammensetzung in Vol.-%
Deutsche Briefmarke von 2011 zum „Element“ Luft nach der Vier-Elemente-Lehre

Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Trockene Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (rund 78,08 Vol.-%) und Sauerstoff (rund 20,95 Vol.-%). Daneben gibt es noch die Komponenten Argon (0,93 Vol.-%), Kohlenstoffdioxid (0,04 Vol.-%) und andere Gase in Spuren. Gasförmiges Wasser (Wasserdampf) ist im Mittel zu 1,3 Vol.-% in Bodennähe und zu 0,4 Vol.-% in der gesamten Erdatmosphäre enthalten, bei den obigen Werten aber nicht mitgerechnet.

Zusätzlich enthält Luft auch Staub und andere makromolekulare Teilchen (z. B. Pollen). Im natürlichen Zustand ist sie trotzdem für Menschen geruch- und geschmacklos.

Lichtstreuung[Bearbeiten]

Die in Luft vorkommenden Gasmoleküle (Stickstoff, Sauerstoff usw.) streuen die einfallenden und unterschiedlichen Lichtwellen/-teilchen des Sonnenlichtes verschieden stark (Rayleigh-Streuung). Am stärksten wird das kurzwellige blaue Licht gestreut. Dieser Vorgang gibt der Luft ihre typischerweise natürliche blaue Farbe, ein teil-polarisiertes Muster. Ist der Weg des Lichtes durch die Luft länger, verschiebt sich die Streuung zu einem rötlichen Farbton hin. Dies hängt vom Sonnenlichteinfallswinkel ab. Steht die Sonne im Zenit (direkt über dem Betrachter - 90° zum Boden), durchläuft das Licht die Erdatmosphäre auf einer Länge von 90 km. Während eines Sonnenaufgangs /-abgangs steht die Sonne am Horizont (in horizontaler Augenlinie des Betrachters - 0° zum Boden) und durchquert die Atmosphäre mit einer ca. 12-fachen Länge (ca. 1075 km). Mit fortschreitender Strecke des Lichtes durch die Atmosphäre wird der blaue vom roten Lichtanteil überlagert, da der Blauanteil immer mehr gestreut wird und der rote Anteil wegen seiner größeren Wellenlänge weniger stark gestreut wird. Dieser atmosphärische Effekt ist nur bei wolkenlosem Horizont morgens kurz vor Sonnenaufgang und abends kurz nach Sonnenuntergang zu beobachten. Sie werden als Morgenröte bzw. Abendrot bezeichnet und reicht in den Farbabstufungen von leichtem Rosa bis Lila über Vollrot zu tiefem Orange.

Abgesehen von elastischer Streuung der Photonen ist in der Atmosphäre auch inelastische Streuung zu beobachten: Rotationsramanstreuung führt zu einer Umverteilung in den Energien der eintreffenden Strahlung innerhalb von einigen 10 cm-1 und führt somit zu einem 'Auffüllen' der Fraunhoferlinien [1], den sogenannten Ring-Effekt [2]. Bei einer spektralen Auflösung von 0.5nm führt dieser Effekt zu optischen Dicken von typischerweise bis zu 2% wenn Himmelsstreulicht verschiedener Sonnenstände verglichen wird. Dieser Effekt muss in verschiedenen DOAS Fernerkundungsmethoden zu Messung von Spurengasen korrigiert werden. Weiterhin kann Vibrationsramanstreuung an Luftmolekülen die Wellenzahl der eintreffenden Photonen von 1550 cm-1(O2) und 2330 cm-1(N2) verschieben und somit ein wellenlängenverschobenes Abbild des Sonnenlichts über das beobachtete Sonnenlicht legen. Seine Intensität beträgt bis zu 0.04% der ursprünglichen Intensität. [3]

Zusammensetzung[Bearbeiten]

Zusammensetzung der Luft
Gas Formel Volumenanteil Massenanteil
Hauptbestandteile der trockenen Luft auf Meereshöhe (1.013,25 hPa)
Stickstoff N2 78,084 % 75,518 %
Sauerstoff O2 20,942 % 23,135 %
Argon Ar 0,934 % 1,288 %
Zwischensumme 99,960 % 99,941 %
Gehalt an Spurengasen (eine Auswahl)
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
1,1,1-Trichlorethan 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
Gehalt an radioaktiven Stoffen
Radiokohlenstoff 14CO2 10-13 %
Radon Rn 10-19 %
Gesamtmasse (trocken) 5,135 · 1015 t
Gesamtmasse (feucht) 5,148 · 1015 t

Die Anteile der Atmosphärengase sind keine Naturkonstanten. In der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre veränderte sich die Zusammensetzung ständig und mehrmals grundlegend. Seit 350 Millionen Jahren sind die Hauptbestandteile leidlich stabil. Die aktuelle Mischung ist für trockene Luft in der Tabelle rechts wiedergegeben, wobei zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterschieden wird. Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte für die freie Troposphäre dar. Die der chemisch stabilen Komponenten sind abseits von Quellen in der gesamten Homosphäre einheitlich, also bis in eine Höhe von etwa 100 km. Bei reaktiven Spurenstoffen gibt es erhebliche Gradienten.

Trennung in die Bestandteile

Flüssige Luft kann durch fraktionierte Destillation in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meist mit Hilfe des Linde-Verfahrens.

Hauptbestandteile[Bearbeiten]

Stickstoff[Bearbeiten]

Der Hauptbestandteil der Luft ist chemisch inert. Er wird durch die natürliche (biotische und abiotische) Stickstofffixierung organisch gebunden und damit für Lebewesen nutzbar. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Der entgegengerichtete chemische Prozess - die Denitrifikation verläuft rascher, so dass der Stickstoffkreislauf den Stickstoffanteil in der Atmosphäre kaum verändert.

Aus dem Stickstoff der Luft entstehen durch kosmische Strahlung geringe Mengen radioaktiver Kohlenstoff (14C), was mit der Radiokarbonmethode für archäologische Datierungen ausgenutzt wird.

Stickstoff wirkt beim Menschen bei einem signifikant erhöhtem Partialdruck (ab ca. 3,2 bar, bei Normalbedingung 0,79 bar) zunehmend narkotisch. Beim Tauchen tritt dieser Stickstoff-Partialdruck ab etwa 30 m Tauchtiefe auf und der narkotisch/toxische Effekt ist dort als sogenannter Tiefenrausch bekannt. Deshalb werden bei Tauchtiefen über 60 m spezielle Atemgas-Gemische eingesetzt, bei denen Stickstoff z. B. durch Helium ersetzt ist.

Sauerstoff[Bearbeiten]

Der molekulare Sauerstoff der Luft ist hauptsächlich durch Photosynthese aus Wasser gebildet worden, wobei die im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das Zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt. Er verleiht der Atmosphäre ihren oxidierenden Charakter und stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar, das für die biologische Atmung bzw. die chemischen Verbrennungsvorgänge benötigt wird.

Auf den menschlichen Körper wirkt Sauerstoff ab einem Partialdruck von 1,4–1,6 bar giftig, das entspricht bei atmosphärischer Zusammensetzung einem Überdruck von etwa sechs Bar. Dies tritt als praktisches Problem z. B. beim Gerätetauchen mit normaler Luft als Atemgas ab einer Tauchtiefe von ca. 50 m auf.

Bei einer hyperbaren Sauerstofftherapie (HBO) werden die Taucherkrankheit und andere Erkrankungen in einer Druckkammer mit bis zu 1,8 bar behandelt.

Sauerstoffkreislauf

Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Lebewesen zum Leben notwendig. Durch Atmung führen sie Sauerstoff ihrem Stoffwechsel zur Verbrennung (Katabolismus) zu. Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosyntheseund spalten dabei den Sauerstoff ab. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle für vitale Prozesse und Körpersubstanz (Anabolismus). Bei diesem organischen Prozess wird auch fast der gesamte Luftsauerstoff der Luft regeneriert. Der Sauerstoffkreislauf ermöglicht die Aufrechterhaltung und Verteilung eines dauerhaften Vorrats an Ressourcen für Aerobier und photosynthetisch aktive Pflanzen.

Argon[Bearbeiten]

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 etwas 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.

Wasserdampf[Bearbeiten]

Die Umgebungsluft ist nicht trocken, sondern enthält je nach Luftfeuchtigkeit zusätzlich 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. Da Wasserdampf leichter ist als trockene Luft (62,5 % des Trockenluftgewichtes), wird feuchte von der umgebenden Luft nach oben gedrückt, wo dann in kühleren Schichten Kondensation auftritt. Oberhalb der Kondensatschichten ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass über die gesamte Atmosphäre gemittelt nur 0,4 % Wasserdampf in der Luft sind.

Spurengase[Bearbeiten]

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.

Kohlenstoffdioxid[Bearbeiten]

Nach seinem Anteil ist Kohlenstoffdioxid ein Spurengas, aber als das - unter Berücksichtigung von Wasserdampf - fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen wird es oft zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet.

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-Konzentrationen 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. Dazu trägt auch die Heizperiode durch erhöhten Verbrauch fossiler Brennstoffe bei.

Insgesamt hat der Kohlenstoffdioxidgehalt seit Beginn der Industrialisierung um über 40 % zugenommen. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursachen für die globale Erwärmung. 2013 überstieg die CO2-Konzentration an der Messstation Mauna Loa erstmals den Wert von 400 ppm[4].

Edelgase[Bearbeiten]

Während Argon mit rund 1 % zu den Hauptbestandteilen der Luft gehört (siehe oben), zählen die weiteren Edelgase Neon, Helium und Krypton mit Volumenanteilen von jeweils > 1 ppm zu den Spurengasen (vgl. Tabelle). Noch seltener ist Xenon (Volumenanteil < 0,1 ppm). Radon ist das seltenste Edelgas in der Luft (mittlerer Volumenanteil 1:1021), kann jedoch - isotopenabhängig - über seine Radioaktivität gut bestimmt werden.

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. Auch das zweitleichteste Edelgas Neon verflüchtigt sich dorthin, so dass von diesen beiden nur Spuren in der Atmosphäre vorkommen.

Aus manchem Gestein dringt als Glied radioaktiver Zerfallsreihen Radon, das sich in Kellern anreichern kann und strahlend weiterzerfällt.

Ozon[Bearbeiten]

Für die Stratosphäre werden Ozonwerte oftmals 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 dieser Wert sehr variabel. Aufgrund der hohen Reaktivität von Ozon spielt es bei chemischen Reaktionen vielfältiger Art in der Atmosphäre eine zentrale Rolle. Ein Beispiel sind die ODEs (ozone depletion events), bei denen während des polaren Frühlings regelmäßig starke Einbrüche in der Ozonkonzentration von normalerweise 20–40 ppb auf < 5 ppb beobachtet werden können. Diese Erscheinungen werden beispielsweise durch die Freisetzung von Halogenen durch natürliche Prozesse oder durch Mischung von Luftmassen bewirkt. Typische Ozonkonzentrationen in gemäßigten Breiten und besiedeltem Gebiet sind 30–60 ppb auf der Nordhalbkugel und tendenziell ca. 10 ppb weniger auf der Südhalbkugel aufgrund der Rolle von Ozon in der Stickoxidchemie.

Kohlenstoffmonoxid[Bearbeiten]

Kohlenstoffmonoxid (umgangssprachlich oft auch als Kohlenmonoxid bezeichnet) ist ein unsichtbares brennbares giftiges Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen entsteht. Es blockiert den Sauerstofftransport im Blut (Kohlenstoffmonoxidintoxikation) und kann schon in geringen Dosen zum Tod führen. Auch schädigt es die Photosynthese der Pflanzen. Es bildet sich z. B. beim Tabakrauchen und im Verbrennungsmotor. Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Fahrzeugkatalysator können bis zu 4 % CO enthalten, der Standardwert für Tabakrauch. Brände der Vegetation sind mit ca. 60 % der Emissionen weltweit Hauptquelle für Kohlenstoffmonoxid.

Weitere Spurengase[Bearbeiten]

Physikalische Größen der Luft[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Die mittlere Molmasse ergibt sich als Summe der Produkte der Molmassen und Stoffmengenanteile der Bestandteile, hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. Für trockene Luft ist der exakte Wert 28,949 g/mol.[5] Enthält die Luft noch Feuchtigkeit, ist die mittlere Molmasse geringer, da die Molmasse von Wasserdampf nur ca. 18 g/mol beträgt.

Luftdichte[Bearbeiten]

Unter Normbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3.[6]

Luftdruck[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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.

Weitere Werte[Bearbeiten]

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

Der Brechungsindex n der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Der Wert hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Weil n-1 ungefähr proportional zum Luftdruck ist, lässt sich der Brechungsindex mit einem Michelson-Interferometer bestimmen, dessen einer Arm durch ein Gebiet mit variablem Luftdruck reicht. Aus der entstehenden optischen Weglängendifferenz bestimmt man mit bekanntem Druckunterschied den Brechungsindex.

Spezifische Wärmekapazität unter Normalbedingungen:

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

Luftverunreinigung und Luftreinhaltung[Bearbeiten]

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, aber auch Konzentrationen von Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen, die ihrerseits wiederum einen großen Einfluss auf die Chemie der Luft haben.

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.

Die Effekte von Spurengasen sind vielfältig und beeinflussen sich in großem Maße auch gegenseitig. Beispielsweise spielt Ozon durch seine Rolle in der Hydroxylradikalchemie in bodennahen Luftschichten nicht nur die Rolle eines Schadstoffs und Treibhausgases, es ist auch essentiell für die Selbstreinigungsmechanismen der Atmosphäre insgesamt [7].

Kulturelle Bedeutung[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikiquote: Luft – Zitate
 Wiktionary: Luft – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Vountas, M., V. V. Rozanov, and J. P. Burrows. "Ring effect: Impact of rotational Raman scattering on radiative transfer in Earth’s atmosphere." Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 60.6 (1998): 943-961
  2. Grainger, J. F., and J. Ring. "Anomalous Fraunhofer line profiles." Nature 193 (1962): 762
  3. Long, Derek Albert, and D. A. Long. Raman spectroscopy. Vol. 206. New York: McGraw-Hill, 1977.
  4. The Keeling Curve A daily record of atmospheric carbon dioxide
  5. Detlev Möller: Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht. Walter de Gruyter; 2003. ISBN 978-3-11-016431-2. S. 173. Vorschau bei Google Books (abgerufen am 27. März 2012).
  6. Stöcker 2007, S. 714
  7. Seinfeld, John H., and Spyros N. Pandis. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. John Wiley & Sons, 2012