Luftdruck

Der Luftdruck an einem beliebigen Ort der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht. Dieser Druck entsteht durch die Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem auf ihr befindlichen Körper steht. Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt normgemäß 101325 Pa = 1013,25 hPa  (Hektopascal = Millibar).

Standardatmosphäre von 1976 bis in 90 km Höhe

Druck und Dichte nach Barometrischer Höhenformel

Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck im Zusammenhang mit Reifen, wo es für den Reifenfülldruck, also die Differenz von Reifen-Innendruck und Außendruck der Atmosphäre, steht.

Der Schalldruck, den wir hören, ist nicht der Luftdruck, ebenso ist der Winddruck davon zu unterscheiden. Für den Atmosphärendruck anderer Himmelskörper siehe den Artikel Atmosphäre.

Eigenschaften und Wirkungen

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·10¹⁵ Tonnen, auf jedem Quadratmeter der Erdoberfläche (ca. 5·10⁸ km² bzw. 5·10¹⁴ m²) lasten also etwa 10 Tonnen. Der Druck (Kraft pro Fläche) beträgt auf Meereshöhe 10⁵ N/m². Beim Aufstieg in höhere Lagen lässt man einen Teil der Luftsäule unter sich – noch dazu den mit der größeren Luftdichte, denn die Dichte sinkt wie der Luftdruck mit zunehmender Höhe (siehe barometrische Höhenformel). Somit wirkt die Gewichtskraft einer geringeren Luftmasse, der Luftdruck sinkt also.

Der Mensch hat kein Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Luftdruck. Lediglich schnelle und ausreichend starke Luftdruckschwankungen (Aufzug, Seilbahn, Tunneldurchfahrt, Flugzeugstart/-landung) können als Druckgefühl im Ohr wahrgenommen werden, wenn der Belüftungskanal (Eustachi-Röhre) des Mittelohres zum Zeitpunkt der Druckänderung geschlossen bleibt. Besteht eine Druckdifferenz zwischen Mittelohr und Umgebung, dann wird diese ausgeglichen sobald sich die Eustachi-Röhre öffnet (kann z.B. durch Kauen und Schlucken provoziert werden).

Der geringe Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite eines Körpers bewirkt den Auftrieb, der bei der präzisen Bestimmung einer Masse durch Wiegen berücksichtigt werden muss.

Einheiten

Die international verwendete Einheit (SI-Einheit) des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die in Deutschland und Österreich gesetzlich ebenfalls zulässige Einheit Bar (Einheitenzeichen bar, 1 bar = 10⁵ Pa). Das exakt ganzzahlige dekatische Werteverhältnis der SI-Einheit Pascal und der nicht-SI-Einheit bar ergibt sich dadurch, dass beide über SI-Einheiten definiert sind. Statt in der unpassend kleinen Einheit Pascal wird der Luftdruck meistens mit dem SI-Präfix Hekto in Hektopascal (hPa) angegeben, auf Meereshöhe rund 1000 hPa, oder mit gleichem Zahlenwert in Millibar (mbar).

Die zur Messung des Luftdrucks verwendeten Barometer zeigen oft noch veraltete Einheiten. Insbesondere bei Quecksilberbarometern ist lediglich eine Millimeterskala angebracht um den Luftdruck in Torr zu ermitteln (1 Torr entspricht 1 mm Quecksilbersäule). Der Normdruck von 1013,25 hPa ist gleich 760 Torr.

Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei diese alten Einheiten wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck oder Atmosphäre Unterdruck nach dem Einheitenrecht nicht mehr zulässig sind.

Variabilität und Extremwerte

Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 1013,25 hPa und ist damit Teil der Normalbedingungen sowie vieler Standardbedingungen.

Abnahme mit der Höhe

Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe (in veralteter Einheit mmHg)

Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe – in Meereshöhe um etwa 1 hPa je 8 Meter. Die Näherung durch eine Exponentialfunktion, die sogenannte Barometrische Höhenformel, geht von konstanter Temperatur, Erdbeschleunigung und Zusammensetzung aus. Für 0 °C beträgt danach der Druck in der Höhe H^[1] (angegeben in Metern)

$p(H)=p_0\ \mathrm{exp}\left(\frac{-H}{7990 \mathrm m}\,\right) \,$.

Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5,5 km Höhe und 10 % des Bodenwertes p₀ etwa 18,4 km über dem Boden.

Tagesgang

Tagesgang des Luftdrucks in Nordfriesland. Schwarze Kurve zeigt den Luftdruckverlauf. Die blaue Kurve zeigt die Ein-Stunden-Tendenz, die grüne Kurve die Drei-Stunden-Tendenz. Die rote Kurve zeigt die lineare Regression.

Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Er folgt dabei den Schwankungen der Lufttemperatur, wodurch sich ein stärkerer 12-Stunden-Rhythmus (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stunden-Rhythmus (circadian) zeigen. Die Maxima finden sich gegen 10 und 22 Uhr, die Minima gegen 4 und 16 Uhr (Sommerzeit beachten). Die Amplituden sind breitengradabhängig. In Äquatornähe liegen die Schwankungen bei Werten bis zu 5 hPa. In den mittleren Breiten liegen die Schwankungen bei etwa 0,5 bis 1 hPa. Die Kenntnis des örtlichen Tagesganges des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt zu beobachten ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird. Nur bei hinreichend genauer Messapparatur und stabilen Hochdruckwetterlagen ist es möglich, diese Schwankungen ungestört zu beobachten.

Eine Darstellung des Tagesgangs, so wie er in Norddeutschland aufgezeichnet wurde, ist hier rechts zu sehen.

Im Hintergrundrauschen finden sich schwache Überlagerungen des Luftdrucks, mit typisch sehr niedriger Frequenz um 0,2 Hz und Amplituden kleiner als 1 Pascal. Solche Mikrobarome sind Folge von Wetterscheinungen oder stürmischer See. Auch das Bersten eines Meteors, der Knall eines Überschallflugs, (Atom-)Bombenexplosion verursachen Druckwellen die sehr weit entfernt noch detektiert werden können.

Jahresgang

Der Jahresgang des Luftdrucks, basierend auf entweder Tages- oder Monatsmitteln als langjährige Durchschnittswerte, zeigt eine geringe, aber auch vergleichsweise komplexe Schwankung zwischen den einzelnen Monaten. Dabei zeigt sich ein Minimum im April, verantwortlich für den Begriff des Aprilwetters, und vergleichsweise hohe Werte für Mai und September (Altweibersommer).

Luftdruck-Rekorde

Der historische globale Tiefstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt je nach Quelle 856 hPa (gemessen im September 1958 während eines Taifuns bei Okinawa)^[2] bzw. 870 hPa (geschätzt am 12. Oktober 1979 im Taifun „Tip“ in der Nähe von Guam auf dem Nordwestpazifik).^[3] Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden auf dem Atlantik wurde im Oktober 2005 im Hurrikan Wilma mit 98 hPa gemessen. Der Kerndruck fiel bis auf 882 hPa. Bei Taifun Forrest wurde im September 1983 im nordwestlichen Pazifik ein Druckabfall von 100 hPa innerhalb von gut 23 Stunden gemessen.^[3]

Die höchsten bisher gemessenen und auf Meereshöhe reduzierten Luftdruckwerte wurden mit 1085,7 hPa in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa^[2] am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66°N/93°E) erfasst.

Der höchste Luftdruck in Deutschland wurde mit 1060,6 hPa am 23. Januar 1907 in Putbus auf der Insel Rügen gemessen, der niedrigste mit 954,9 hPa am 27. November 1983 in Emden.^[4]

Luftdruck, Gewicht der Luftsäule

Während der mittlere Wert des Luftdrucks auf Meereshöhe bedeutet, dass auf jeden Quadratmeter eine Luftsäule der Masse 10 Tonnen lastet, entsprechen die Schwankungen (siehe „Luftdruck-Rekorde“) einer Massenveränderung dieser Luftsäule von etwa einer Tonne pro Quadratmeter.

Experimente und Messung

→ Hauptartikel: Barometer

Skizze Caspar Schotts zu von Guerickes Halbkugel-Experiment.

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dabei handelte es sich um zwei dicht aneinander liegende halbe Hohlkugeln. Sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, konnten auch zwei entgegengesetzt ziehende Pferdegespanne diese nicht mehr voneinander trennen.

Ein anderes Experiment, das auch zur genauen Messung verwendet werden kann, ist ein einseitig verschlossenes und mehr als zehn Meter langes Glasrohr. Es wird zuerst horizontal in ein Wassergefäß gelegt, so dass die Luft entweicht. Richtet man es mit der Öffnung unter Wasser und der verschlossenen Seite nach oben auf, so stellt sich eine maximale Höhe ein, bis zu der sich der Wasserspiegel, durch den auf der umliegenden Wasseroberfläche lastenden Luftdruck, empor drücken lässt. Dieses sind etwa zehn Meter, bei hohem Luftdruck mehr, bei niedrigem Luftdruck weniger. Im Hohlraum herrscht dann beinahe ein Vakuum, das allerdings durch etwas Wasserdampf „verunreinigt“ ist. Man bezeichnet dieses als ein Flüssigbarometer. Evangelista Torricelli nutzte statt Wasser Quecksilber, welches bereits bei einer Höhe von 760 mm abreißt und zudem kaum verdampft. Ein anderes Instrument zur Luftdruckmessung nach diesem Prinzip ist das Goethe-Barometer.

Heute werden meistens Dosen-Barometer verwendet, die eine sogenannte Vidie-Dose oder einen Stapel derartiger Dosen enthalten. Dabei handelt es sich um einen dosenartigen Hohlkörper aus dünnem Blech, der mit einem Zeiger verbunden ist. Steigt der Luftdruck, so wird die Dose zusammengedrückt, der Zeiger bewegt sich. Damit die Messung unabhängig von der Temperatur ist, befindet sich in der Dose ein Vakuum, da sich darin befindliche Luft bei Erwärmung ausdehnen würde. Trotzdem gibt es temperaturabhängige Messfehler. Um diese klein zu halten, werden Legierungen mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.

Eine weitere Möglichkeit den Luftdruck zu erfassen, bietet ein Sturmglasbarometer, das sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.

Bedeutung

Luftdrucktendenz

Symbol	Beschreibung
	Steigend
	Steigend, dann leicht fallend
	Steigend, dann stabil
	Leicht steigend, dann fallend
	Leicht fallend oder stabil, dann steigend
	Stabil
	Fallend
	Fallend, dann leicht steigend
	Fallend, dann stabil

Meteorologie

Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck in Form von Isobaren auch das wichtigste Element in Wetterkarten darstellt. Für die Wettervorhersage von Bedeutung ist der Luftdruck auf einer fest definierten Höhe in der Erdatmosphäre, die so gewählt ist, dass keine Störungen des Drucks durch Gebäude oder kleinräumige Geländeformen zu erwarten sind, also ohne eine Beeinträchtigung durch Reibung des Luftstromes am Boden in der sogenannten freien Atmosphäre. Eine Messung, die sich auf die Höhe der Erdoberfläche über Normalnull bezieht (sogenannter absoluter Luftdruck), würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks wiedergeben. Um dieses auszugleichen und die Werte damit vergleichbar zu machen, bedient man sich einer Reduktion auf Meereshöhe (sogenannter relativer Luftdruck). Für das Wettergeschehen in Bodennähe sind vor allem die dortigen Unterschiede des Luftdrucks von Interesse. Sie führen zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Zwischen ihnen setzt aufgrund des Luftdruckgradienten der Wind als Ausgleichsströmung ein.

Luftfahrt

Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind. Die Flughöhe des Luftfahrzeugs wird also über den dort herrschenden statischen Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein unerwartet niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen und damit zu gefährlichem Niedrigflug verleiten (Merksatz: „Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muss vor und gegebenenfalls auch während eines Fluges der Höhenmesser auf den aktuell am Boden herrschenden Luftdruck eingestellt werden.

Ab einer bestimmten Übergangshöhe oder Transition Altitude (s. Hauptartikel Flughöhe) werden alle Höhenmesser auf den Standarddruck von 1013,25 hPa eingestellt. Die Anzeige hat dann zwar keinen festen Bezug mehr zur tatsächlichen Flughöhe, aber da der absolute Messfehler für alle Luftfahrzeuge gleich groß ist, wird das Risiko von Kollisionen aufgrund unterschiedlicher Höhenanzeigen minimiert.

Folgende Luftdruckangaben finden in der Luftfahrt Verwendung:

• QFE: der tatsächliche Luftdruck am Messort; ein auf QFE eingestellter Höhenmesser zeigt die Höhe über dem Messort an.
• QNH: der rückgerechnete Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO-Standardatmosphäre (15 °C, 0,65 Grad Temperaturgradient / 100 m); ein auf QNH eingestellter Höhenmesser zeigt die Höhe über Normalnull an.
• QFF: der rückgerechnete Luftdruck auf Meereshöhe unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiterer Faktoren.

Auf Flugplätzen wird überwiegend der QNH-Wert verwendet, während in der Meteorologie der QFF-Wert verwendet wird, um Luftdruckwerte an verschiedenen Orten und Ortshöhen vergleichen zu können.

Schifffahrt

Der Luftdruck spielt in der Schifffahrt eine große Rolle, da rasche Luftdruckänderungen meistens schnelle Wetterveränderungen bewirken.

Ein rasches Fallen des Luftdrucks bedeutet in der Mehrzahl der Fälle Starkwind- oder Sturmgefahr. Die Bedeutung der Luftdruckabnahme pro Zeitraum für eine Windprognose ist jedoch breitengradabhängig. Fällt der Luftdruck in unseren Breiten um mehr als 1 bis 2 Hektopascal in einer Stunde, gibt es mit hoher Wahrscheinlichkeit Starkwind oder Sturm.

Starker Druckanstieg bedeutet nicht umgekehrt immer rasche Windabnahme.

Weblinks

 Wiktionary: Luftdruck – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Luftdruck – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

1. ↑ (Quelle: Kuchling, Taschenbuch der Physik)
2. ↑ ^{a b} Katja Bammel, Angelika Fallert-Müller, Ulrich Kilian, Sabine Klonk: Der Brockhaus Wetter und Klima: Phänomene, Vorhersage, Klimawandel. Brockhaus, Mannheim 2009, ISBN 978-3765333811. S. 200
3. ↑ ^{a b} Karl Horau: Supertyphoon Forrest (September 1983): The Overlooked Record Holder of Intensification in 24, 36, and 48 h. American Meteorological Society, Juni 2000, abgerufen am 22. Januar 2010 (pdf, englisch). 
4. ↑ Beitrag im Wetterzentrale-Forum