Luftdruck

Standardatmosphäre 1976 90km.png von 1976 bis in 90 km Höhe]] Atmosphäre Dichte 600km.png und Dichte nach Barometrischer Höhenformel]] Der Luftdruck an einem beliebigen Ort der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht. Dieser Druck stimmt überein mit der Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem auf ihr befindlichen Körper steht.

Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck im Zusammenhang mit Reifen, wo es für den Innendruck (oder Reifenfülldruck) steht. Der Schallwechseldruck, den wir hören, ist nicht der Luftdruck. Für den Atmosphärendruck anderer Himmelskörper siehe den Artikel Atmosphäre.

Eigenschaften

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·10¹⁵ Tonnen und die Erdoberfläche beträgt etwa 510·10⁶ km². Da der Druck als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck unter Berücksichtung der Schwerkraft ein globaler Überschlagswert von 1,01·10⁵ kg/(m·s²).

In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich kleiner als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kleiner und damit der Luftdruck niedriger. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell immer bei einer Höhenzunahme und sein Gradient (eigentlich korrekt: seine erste Ableitung) wird über eine barometrische Höhenformel angenähert.

In der Horizontalen erfährt jeder Mensch und neben ihm auch jegliche andere Störung der Erdatmosphäre aus jeder Richtung den gleichen Druck. Dieser ist im Normalfall nicht spürbar, weil sich unser Organismus darauf eingestellt hat. Er ist jedoch Grundvoraussetzung dafür, dass sich der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit auflöst, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt (vgl. Siedepunkt). Der Luftdruck stellt dabei also einen Außendruck dar.

Einheiten

Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die auch zulässige Einheit Bar (Einheitenzeichen bar = 10⁵ Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101325 Pa, also rund 100000 Pa beträgt, wird er meistens mit dem Faktor 100 in Hektopascal (1013,25 hPa) oder mit gleichem Zahlenwert Millibar (mbar) angegeben. Der Luftdruck wird meistens mit einem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden. Dabei ist 1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mm Hg oder Millimeter Quecksilbersäule). 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 nicht mehr zulässig sind.

Variabilität und Extremwerte

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

Abnahme mit der Höhe

Hauptartikel: Barometrische Höhenformel

Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe – in Bodennähe um etwa 1 hPa (= früheres Millibar) alle 8 Meter – und kann genähert durch eine Exponentialfunktion abgeschätzt werden. Ohne Einfluss der Temperatur beträgt der Druck in der Höhe H (in km) etwa p = p₀·exp(-H/8). Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5-6 km Meereshöhe und 10 % des Bodenwertes p₀ in 15-20 km über dem Meer.

Tagesgang

Tagesgang-luftdruck.jpg 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-Stundeneinfluss (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stundenrhythmus (circadian von lateinisch dies der Tag) 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 Tagesgang des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt beobachtbar 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.

Extrem niederfrequente (0,2 Hz) und schwache Überlagerungen des Luftdrucks, die Bestandteil des Hintergrundrauschens sind und als Folge von Wettererscheinungen und Seegang auftreten, werden Mikrobarome genannt. Ihre Amplituden liegen unter einem Pascal.

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 Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869,9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifik gemessen (Taifun Tip). Für Deutschland beträgt der Niedrigstwert 948,6 hPa und wurde am 26. Februar 1989 in Osnabrück erfasst.

Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 hPa in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst. Der Rekordhalter für Deutschland ist Berlin mit 1057,8 hPa am 23. Januar 1907.

Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden wurde im Oktober 2005 bei 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 92 hPa innerhalb von 24 Stunden gemessen.

Experimente und Messung

Hauptartikel: Barometer

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dies waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.

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

Dosenbarometer Prinzip.png 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, welcher 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, welches sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.

Bedeutung

Luftdrucktendenz
Symbol	Beschreibung
Steigend
Steigend, dann fallend
Steigend, dann stabil
Steigend, dann fallend
Fallend oder stabil, dann steigend
Stabil
Fallend
Fallend, dann 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, würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks ergeben. Um dies auszugleichen und die Werte damit vergleichbar zu machen bedient man sich einer Reduktion auf Meereshöhe.

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 der Wind als Ausgleichsströmung ein.

Luftfahrt

Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind und so die Höhe des Luftfahrzeugs über den Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt wird (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein sehr niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen („Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muss für die Dauer des Fluges der örtliche Luftdruck bekannt sein. Um zu große Fehler bei der Höhenanzeige zu meiden, welche bis etwa 300 m betragen können, kompensiert der Pilot die Höhenanzeige durch Eingabe des örtlichen QNH Wertes am Höhenmesser. In größeren Höhen wird ein Druck von 1013,25 hPa angenommen, den alle Luftfahrzeuge als QNH eingeben müssen. So kann die Gefahr einer Kollision vermindert werden, denn große Messfehler bei der Höhenbestimmung sind so weniger wahrscheinlich.

QFE: tatsächlicher Luftdruck am Messort
QNH: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO Atmosphäre (15°C, 0,65 Grad Temperaturgradient / 100 m)
QFF: rückgerechneter 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. Die Q-Gruppen stammen noch aus der Zeit der drahtlosen Telegraphie (Morse Code).

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 breitgadabhängig. Fällt der Luftdruck in unseren Breiten um mehr als 1-2 Hektopascal in einer Stunde, gibt es mit hoher Wahrscheinlichkeit Starkwind oder Sturm.

Starker Druckanstieg bedeutet nicht umgekehrt immer rasche Windzunahme.

Siehe auch

Weblinks

GFS-Meteogramm zeigt u.a. zeitlichen Verlauf des Bodendrucks eines Ortes in Europa

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