Luft

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Luft (Begriffsklärung) aufgeführt.

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. Wasserdampf ist in veränderlichen Mengen enthalten. Der Anteil beträgt 0,4 Vol.-% für die gesamte Erdatmosphäre und im Mittel 1,3 Vol.-% in Bodennähe. Er ist aber in den obigen Werten nicht mitgerechnet. Im natürlichen Zustand ist 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.

Luft kann mittels Destillation flüssiger Luft in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meistens mit Hilfe des Linde-Verfahrens.

Zusammensetzung

Die Mischungsanteile 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 man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterscheidet. 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 Kilometern. Für reaktive Spurenstoffe gibt es erhebliche Gradienten.

Stickstoff

Der Hauptbestandteil der Luft ist chemisch inert, daher sein Name Stickstoff. Er wird durch die natürliche Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Der entgegengesetzte Prozess der Denitrifikation ist schnell, sodass der Stickstoffkreislauf den Stickstoffanteil in der Atmosphäre kaum beeinflusst.

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

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 zum sogenannten Tiefenrausch führt.

Sauerstoff

Der molekulare Sauerstoff der Luft ist 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 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 atmosphärischer Zusammensetzung 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 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. Aus manchem Gestein dringt als Glied radioaktiver Zerfallsreihen Radon, das sich 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. Auch das zweitleichteste Edelgas Neon verflüchtigt sich dorthin, sodass von diesen beiden nur Spuren in der Atmosphäre vorkommen.

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.

Kohlenstoffdioxid

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.

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.

Spurengase

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.

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 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.

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.

Außerdem treten unter Anderen folgende Stoffe in geringen Mengen auf:

• Methan
• Wasserstoff
• Distickstoffoxid
• Hydroxyl-Radikal
• Peroxyacetylnitrat
• Chloroxide, Iodoxide und Bromoxide und molekulares Iod
• andere Stickoxide (neben N₂O)
• Schwefeldioxid, neben anthropogenen Quellen hauptsächlich aus Dimethylsulfid und Vulkanen.
• Quecksilber
• organische Verbindungen, wie auch Formaldehyd und Glyoxal die oftmals durch Oxidation oder Photolyse aus längerkettigen organischen Verbindungen entstehen, bspw. pflanzliche Pinene
• halogenierte Kohlenwasserstoffe biogener und anthropogener Natur

Physikalische Größen der Luft

Mittlere Molmasse

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^[1], der für praktische Belange auf 29 g/mol gerundet werden kann. Enthält die Luft noch Feuchtigkeit, ist die mittlere Molmasse geringer, da die Molmasse von Wasserdampf nur ca. 18 g/mol beträgt.

Luftdichte

Unter Normbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m^3[2].

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

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

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

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

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

• Innenraumluft

Literatur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2007, ISBN 978-3-8171-1720-8

Weblinks

Wikiquote: Luft – Zitate

Wiktionary: Luft – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre
• Luftverschmutzung und Klimaschutz: Beiträge des FLUGS – Fachinformationsdienstes am Helmholtz-Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Einzelnachweise