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Luft bezeichnet umgangssprachlich das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos.
Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.
Zusammensetzung
| 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 % |
| Konzentration der Spurengase | |||
| Kohlenstoffdioxid | CO2 | 0,038 % | 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 |
| Halon 1211 | CBrClF2 | 4 ppt | 25 ppt |
| Halon 1301 | CBrF3 | 2,5 ppt | 13 ppt |
| Gesamt(trocken) | 5,135 · 1015 t | ||
| Gesamt(feucht) | 5,148 · 1015 t | ||
Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterscheidet. Luft wird meistens mit Hilfe des Linde-Verfahrens (Destillation von flüssiger Luft) in ihre Bestandteile zerlegt.
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. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre. Beim Tauchen in größeren Tiefen (> 60m) wird Stickstoff in der Druckflasche durch Helium ersetzt. Ansonsten kann es durch den im Blut gelösten Stickstoff (höherer Partialdruck) zum Tiefenrausch kommen (Euphorie, aber auch Angst und Bewusstlosigkeit).
Sauerstoff
Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihren oxidierenden Charakter. Der Sauerstoff wird unter anderem für fast alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.
Argon
Argon ist ein Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne große Bedeutung für die Chemie. Dank seiner Reaktionsträgheit wird Argon beim Schweißen als Schutzgas eingesetzt oder auch wegen seiner relativ zur Luft kleineren Wärmeleitfähigkeit als Energiesparmedium für Fensterscheiben (Isolierverglasung).
Wasserdampf
Umgebungsluft ist nicht komplett trocken sondern enthält zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf.
Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.
Variabilität in der Zeit
Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen.
Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet.
Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.
Variabilität im Raum
Atmosphäre Temperatur 600km.png und molare Masse in Abhängkeit 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 jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.Substanzen geringerer Konzentration
Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden.
Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N2O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber
Kohlenstoffdioxid
Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene 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 es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.
Kohlenmonoxid
Kohlenmonoxid ist ein unsichtbares brennbares giftiges Gas, das bei Verbrennungen mit 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 wird u.a. in Automotoren erzeugt, so dass Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Katalysator bis zu 4% Kohlenmonoxid enthalten sollen. Die Hauptquelle für Kohlenmonoxid sind jedoch mit ca. 60% der Emissionen Brände der Vegetation.Physikalische Größen der Luft
| Temperatur * | Schallgeschwindigkeit * | Luftdichte * | Schallkennimpedanz * |
|---|---|---|---|
| - 10 | 325,4 | 1,341 | 436,5 |
| - 5 | 328,5 | 1,316 | 432,4 |
| 0 | 331,5 | 1,293 | 428,3 |
| + 5 | 334,5 | 1,269 | 424,5 |
| + 10 | 337,5 | 1,247 | 420,7 |
| + 15 | 340,5 | 1,225 | 417,0 |
| + 20 | 343,4 | 1,204 | 413,5 |
| + 25 | 346,3 | 1,184 | 410,0 |
| + 30 | 349,2 | 1,164 | 406,6 |
Luftdichte
Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3.Luftdruck
Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig. Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10000 kg.
Lufttemperatur
Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist.
Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen 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 quantifiziert.
Andere
Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s.
In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol.
Die Brechzahl 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. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft.
Spezifische Wärmekapazität:
Luftverschmutzung und Luftreinhaltung
Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen).
In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der Dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel 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
Weblinks
Meteorologie | Stoffgemisch | Gas | Luft | Aero | Aire | Õhk | Air | אוויר | Udara | Loft | Aria | 空気 | 대기 | Aer | Oras | Udara | Lucht | Powietrze | Ar | Воздух | Air | Zrak | Hava (atmosfer) | Повітря | 空气
"Luft"