Luft

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Luft

Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der Erdatmosph√§re. Trockene Luft besteht haupts√§chlich 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 nat√ľrlichen Zustand ist die Luft farb-, geruch- und geschmacklos.

Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist f√ľr alle aeroben Landlebewesen zum √úberleben notwendig, die ihn durch die Atmung f√ľr ihren Stoffwechsel ben√∂tigen. Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. F√ľr 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‚Äď200 ppb 50‚Äď200 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 H√∂he von Normalnull ist in der Tabelle rechts wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterscheidet. Luft kann mittels Destillation von fl√ľssiger 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 √§u√üerst reaktionstr√§ge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in f√ľr Lebewesen nutzbare Verbindungen √ľberf√ľhrt werden, die ihn f√ľr den Aufbau ihrer Aminos√§uren ben√∂tigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben mengenm√§√üig keinen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosph√§re. Technisch wird der Luftstickstoff √ľber das Haber-Bosch-Verfahren zur D√ľngemittelherstellung verwendet.

Beim Tauchen in Tiefen von √ľber 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 f√ľhrt.

Sauerstoff

Der Sauerstoff der Luft ist √ľber die Photosynthese entstanden, wobei die im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosph√§re vorliegenden Menge betr√§gt. Er verleiht der heutigen Atmosph√§re ihren oxidierenden Charakter und stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar, das f√ľr die biologische Atmung und die chemischen Verbrennungsvorg√§nge ben√∂tigt wird. Auf den menschlichen K√∂rper wirkt Sauerstoff ab einem Partialdruck von etwa 1,5 Bar vergiftend, das entspricht bei der Sauerstoffkonzentration der Luft einem √úberdruck von sechs Bar.

Argon und Spuren anderer Edelgase

Argon ist als Edelgas √§u√üerst reaktionstr√§ge und mit fast 1 % Gehalt relativ h√§ufig. So ist es kosteng√ľnstig und wird als Inertgas etwa beim Metallschwei√üen und zur F√ľllung von Gl√ľhlampen eingesetzt. Dort und als F√ľllung von Mehrscheiben-Isolierglas nutzt man die relativ zu Luft geringere W√§rmeleitf√§higkeit. Teures, rares Krypton dient in Spezialf√§llen als noch besseres W√§rme-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 h√§ufig ist. Auch das zweitleichtesten Edelgas Neon verfl√ľchtigt sich dorthin, sodass von diesen beiden nur Spuren in der Atmosph√§re vorkommen. Helium √ľber Luftverfl√ľssigung zu gewinnen war extrem teuer. Es staut sich beim Aufstieg aus der Erde verschiedentlich in Erdgaslagerst√§tten und wird l√§ngst mit aufwendigen Anlagen als Erdgasbeiprodukt gewonnen. Nur mit Helium lassen sich tiefste Temperaturen erzeugen, es ist das unbrennbare Traggas f√ľr Ballons.

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

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht trocken, sondern enth√§lt zus√§tzlich 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 Bodenn√§he. Er wird durch unterschiedliche Feuchtema√üe angegeben. Da er leichter als Luft (62,5 % des Luftgewichtes) ist, steigt an Wasserdampf reiche Luft nach oben, wo dann in entsprechend k√§lteren Luftschichten Kondensation auftritt. Oberhalb davon ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass √ľber die gesamte Atmosph√§re 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 Ver√§nderung 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 f√ľr die globale Erw√§rmung. Nach seinem Anteil ist Kohlenstoffdioxid ein Spurengas, aber als das f√ľnfth√§ufigste Atmosph√§rengas und aufgrund seiner Bedeutung f√ľr Klima und Lebewesen wird es zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Gr√∂√üere Schwankungen √ľber teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen. Deren niedrige Konzentrationen k√∂nnen durch vergleichsweise geringe Emissionen beeinflusst werden. Ebenso zeigen Vulkanausbr√ľche h√§ufig 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 G√ľltigkeit in der gesamten Homosph√§re, also bis in eine H√∂he von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen H√∂henlagen spezifische Prozesse der Atmosph√§renchemie wirken, gibt es erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause nimmt die Konzentration schwerer Gase mit der H√∂he ab und erfolgt die relative Anreicherung leichterer Gase. In der hohen Atmosph√§re sind Wasserstoff und Helium anteilsm√§√üig sehr viel bedeutender als in Bodenn√§he, 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 f√ľr die Photosynthese. Die atmosph√§rische Kohlenstoffdioxidkonzentration wirkt stark auf das Pflanzenwachstum. Durch den lichtabh√§ngigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also die Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, schwanken die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein n√§chtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt ist im Jahresverlauf vorhanden, da die au√üertropische Vegetation ausgepr√§gte Vegetationsperioden besitzt. Auf der Nordhalbkugel besteht ein Maximum im Zeitraum M√§rz bis April und ein Minimum im Oktober oder November. Auch anthropogene (vom Menschen herbeigef√ľhrte) Emissionszyklen k√∂nnen 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 f√ľhren. Auch sch√§digt es die Photosynthese der Pflanzen. Es bildet sich im Automotor, Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Katalysator k√∂nnen bis zu 4 % Kohlenstoffmonoxid enthalten. Hauptquelle f√ľr Kohlenstoffmonoxid sind mit ca. 60 % Emissionen aus Br√§nden der Vegetation.

Physikalische Größen der Luft

Temperaturabhängigkeit
Temperatur
[¬įC]
Schallgeschwindigkeit
[m/s]
Luftdichte
[kg/m3]
Schallkennimpedanz
[N·s/m3]
‚ąí10 325,4 1,341 436,6
‚ąí5 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 Verh√§ltnis der Molmassen und der Volumenkonzentrationen der Bestandteile der Luft, haupts√§chlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. F√ľr trockene Luft ist der exakte Wert 28,964 g/mol, der f√ľr 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 n√∂tig, weil diese Gase in der Luft als zweiatomige Molek√ľle vorliegen.

Luftdichte

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

Luftdruck

‚Üí Hauptartikel: Luftdruck

Die Gewichtskraft der Lufts√§ule erzeugt einen statischen Druck. Dieser Druck h√§ngt gem√§√ü der barometrischen H√∂henformel von der H√∂he √ľber dem Meeresspiegel ab. Zus√§tzlich ist der Luftdruck vom Wetter abh√§ngig. Wind und allgemein √Ąnderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. Ein Barometer zur Messung des Luftdrucks geh√∂rt daher zur Grundausstattung von Wetterstationen. √úber einem Quadratmeter Bodenfl√§che betr√§gt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.

Lufttemperatur

‚Üí Hauptartikel: Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird die Temperatur der bodennahen Luft bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenw√§rme oder W√§rmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition in Wissenschaft und Technik ist unterschiedlich. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer H√∂he von zwei Metern gemessen, wof√ľr h√§ufig wei√ü gestrichene Wetterh√§uschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

‚Üí Hauptartikel: Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfes an der Luft. Sie wird √ľber verschiedene Feuchtma√üe 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 Standardatmosph√§re; der tats√§chliche Wert schwankt etwas mit der genauen Zusammensetzung der Luft). Die Molmasse von Wasserdampf betr√§gt nur ca. 18 g/mol. Deshalb ist feuchte Luft geringf√ľgig leichter.

Der Brechungsindex der Luft betr√§gt unter Normalbedingungen f√ľr sichtbares Licht ungef√§hr 1,00029. Sie h√§ngt 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 W√§rmeleitf√§higkeit őĽ 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. Gem√§√ü dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine Ver√§nderung der nat√ľrlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ru√ü, Staub, Aerosole, D√§mpfe oder Geruchsstoffe. Von Bedeutung sind erh√∂hte Ozonwerte f√ľr den Smog und Schwefeldioxidkonzentrationen f√ľr den sauren Regen.

In den meisten Industriel√§ndern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zur√ľckgegangen. Gleichzeitig hat der Aussto√ü von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist f√ľr L√§nder der Dritten Welt sowie Schwellenl√§nder wie China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft f√ľr eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der f√ľnf Platonischen K√∂rper zugeordnet.

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ siehe St√∂cker 2007, S. 714
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