Luft

Luft: deutsche Briefmarke von 2011 zum Thema Die vier Elemente

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.

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:

• Peroxyacetylnitrat
• Chloroxide, Iodoxide und Bromoxide und molekulares Iod
• andere Stickoxide (neben N₂O)
• Schwefeldioxid
• Radon
• Quecksilber
• organische Verbindungen, wie Formaldehyd und Glyoxal
• halogenierte Kohlenwasserstoffe biogener und anthropogener Natur

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/m^3[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

• Innenraumluft

Literatur

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

Weblinks

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

Einzelnachweise

1. ↑ siehe Stöcker 2007, S. 714

 Wikiquote: Luft – Zitate

 Wiktionary: Luft – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen