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Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der ErdatmosphĂ€re. Trockene Luft besteht hauptsĂ€chlich 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 natĂŒrlichen Zustand ist die Luft farb-, geruch- und geschmacklos.
Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist fĂŒr alle aeroben Landlebewesen zum Ăberleben notwendig, die ihn durch die Atmung fĂŒr ihren Stoffwechsel benötigen. Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. FĂŒr fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.
Inhaltsverzeichnis |
| 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 | 50â200 ppb | 50â200 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 flĂŒssiger Luft in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meistens mit Hilfe des Linde-Verfahrens.
Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff Ă€uĂerst reaktionstrĂ€ge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in fĂŒr Lebewesen nutzbare Verbindungen ĂŒberfĂŒhrt werden, die ihn fĂŒr den Aufbau ihrer AminosĂ€uren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben mengenmĂ€Ăig keinen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der AtmosphĂ€re. Technisch wird der Luftstickstoff ĂŒber das Haber-Bosch-Verfahren zur DĂŒngemittelherstellung verwendet.
Beim Tauchen in Tiefen von ĂŒber 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 fĂŒhrt.
Der Sauerstoff der Luft ist ĂŒber die Photosynthese entstanden, wobei die im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das Zwanzigfache der heute in der AtmosphĂ€re vorliegenden Menge betrĂ€gt. Er verleiht der heutigen AtmosphĂ€re ihren oxidierenden Charakter und stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar, das fĂŒr die biologische Atmung und die chemischen VerbrennungsvorgĂ€nge 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 Ăberdruck von sechs Bar.
Argon ist als Edelgas Ă€uĂerst reaktionstrĂ€ge und mit fast 1 % Gehalt relativ hĂ€ufig. So ist es kostengĂŒnstig und wird als Inertgas etwa beim MetallschweiĂen und zur FĂŒllung von GlĂŒhlampen eingesetzt. Dort und als FĂŒllung von Mehrscheiben-Isolierglas nutzt man die relativ zu Luft geringere WĂ€rmeleitfĂ€higkeit. Teures, rares Krypton dient in SpezialfĂ€llen als noch besseres WĂ€rme-Isoliergas.
Argon entsteht langsam durch radioaktiven Zerfall von Kalium-40, ist stabil und dichter als Luft und verbleibt daher in der AtmosphÀre. Aus manchem Gestein dringt als Glied radioaktiver Zerfallsreihen Radon, das sich wegen seiner hohen Dichte in Kellern anreichern kann und strahlend weiterzerfÀllt.
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 hĂ€ufig ist. Auch das zweitleichteste Edelgas Neon verflĂŒchtigt sich dorthin, sodass von diesen beiden nur Spuren in der AtmosphĂ€re vorkommen. Helium ĂŒber LuftverflĂŒssigung zu gewinnen ist extrem teuer. Es staut sich beim Aufstieg aus der Erde verschiedentlich in ErdgaslagerstĂ€tten und wird lĂ€ngst mit aufwendigen Anlagen als Erdgasbeiprodukt gewonnen. Nur mit Helium lassen sich tiefste Temperaturen erzeugen, es ist das unbrennbare Traggas fĂŒr Ballons.
Neon fÀrbt Gasentladungsröhren rot, es werden jedoch alle - stabilen - Edelgase eingesetzt, von der Glimmlampe bis zum Laser.
Umgebungsluft ist nicht trocken, sondern enthĂ€lt zusĂ€tzlich 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 BodennĂ€he. Er wird durch unterschiedliche FeuchtemaĂe angegeben. Da er leichter als Luft (62,5 % des Luftgewichtes) ist, steigt an Wasserdampf reiche Luft nach oben, wo dann in entsprechend kĂ€lteren Luftschichten Kondensation auftritt. Oberhalb davon ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass ĂŒber die gesamte AtmosphĂ€re gemittelt nur 0,4 % Wasserdampf in der Luft sind.
Die Konzentrationen der AtmosphÀrengase sind ihrem Charakter nach metastabil, es sind keine Naturkonstanten. In der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der ErdatmosphÀre verÀnderte sich die Zusammensetzung stÀndig, die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen und im Lauf der Zeit hat sich die Zusammensetzung der ErdatmosphÀre mehrmals grundlegend gewandelt. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren liegt die Mischung unserer heutigen AtmosphÀre vor.
Eine aktuelle VerĂ€nderung 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 fĂŒr die globale ErwĂ€rmung. Nach seinem Anteil ist Kohlenstoffdioxid ein Spurengas, aber als das fĂŒnfthĂ€ufigste AtmosphĂ€rengas und aufgrund seiner Bedeutung fĂŒr Klima und Lebewesen wird es zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. GröĂere Schwankungen ĂŒber teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen. Deren niedrige Konzentrationen können durch vergleichsweise geringe Emissionen beeinflusst werden. Ebenso zeigen VulkanausbrĂŒche hĂ€ufig einen kurzfristigen Einfluss.
Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitestgehende GĂŒltigkeit in der gesamten HomosphĂ€re, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der AtmosphĂ€renchemie 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 AtmosphĂ€re sind Wasserstoff und Helium anteilsmĂ€Ăig sehr viel bedeutender als in BodennĂ€he, die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase wird entsprechend gering.
Weiterhin sind Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenstoffmonoxid und Ozon vorhanden.
AuĂerdem treten folgende Stoffe in geringen Mengen auf:
Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids (umgangssprachlich oft auch als Kohlendioxid bezeichnet) liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant fĂŒr die Photosynthese. Die atmosphĂ€rische Kohlenstoffdioxidkonzentration wirkt stark auf das Pflanzenwachstum. Durch den lichtabhĂ€ngigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also die Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, schwanken die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nĂ€chtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt ist im Jahresverlauf vorhanden, da die auĂertropische Vegetation ausgeprĂ€gte Vegetationsperioden besitzt. Auf der Nordhalbkugel besteht ein Maximum im Zeitraum MĂ€rz bis April und ein Minimum im Oktober oder November. Auch anthropogene (vom Menschen herbeigefĂŒhrte) Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen.
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 abhÀngen und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfÀllt, ist ein bestimmter Wert nur schlecht zu bestimmen.
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 fĂŒhren. Auch schĂ€digt es die Photosynthese der Pflanzen. Es bildet sich im Automotor, Autoabgase ohne Abgasnachbehandlung durch einen Katalysator können bis zu 4 % Kohlenstoffmonoxid enthalten. Hauptquelle fĂŒr Kohlenstoffmonoxid sind mit ca. 60 % Emissionen aus BrĂ€nden der Vegetation.
| Temperatur [°C] |
Schallgeschwindigkeit [m/s] |
Luftdichte [kg/m3] |
Schallkennimpedanz [N·s/m3] |
|---|---|---|---|
| â10 | 325,4 | 1,341 | 436,6 |
| â5 | 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 |
Die mittlere Molmasse ergibt sich aus dem VerhĂ€ltnis der Molmassen und der Volumenkonzentrationen der Bestandteile der Luft, hauptsĂ€chlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. FĂŒr trockene Luft ist der exakte Wert 28,964 g/mol, der fĂŒr praktische Belange auf 29 g/mol gerundet werden kann. Der exakte Wert ergibt sich wie folgt:</br> (14,0067 g/mol * 2 * 0,78) + (15,999 g/mol * 2 * 0,21) + (39,948 g/mol * 0,01)</br> 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 MolekĂŒle vorliegen.
Unter Normbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3[1].
Die Gewichtskraft der LuftsĂ€ule erzeugt einen statischen Druck. Dieser Druck hĂ€ngt gemÀà der barometrischen Höhenformel von der Höhe ĂŒber dem Meeresspiegel ab. ZusĂ€tzlich ist der Luftdruck vom Wetter abhĂ€ngig. Wind und allgemein Ănderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. Ein Barometer zur Messung des Luftdrucks gehört daher zur Grundausstattung von Wetterstationen. Ăber einem Quadratmeter BodenflĂ€che betrĂ€gt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.
Als Lufttemperatur wird die Temperatur der bodennahen Luft bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von BodenwĂ€rme oder WĂ€rmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition in Wissenschaft und Technik ist unterschiedlich. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofĂŒr hĂ€ufig weiĂ gestrichene WetterhĂ€uschen in freier Umgebung dienen.
Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfes an der Luft. Sie wird ĂŒber verschiedene FeuchtmaĂe wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte angegeben.
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 StandardatmosphĂ€re; der tatsĂ€chliche Wert schwankt etwas mit der genauen Zusammensetzung der Luft). Die Molmasse von Wasserdampf betrĂ€gt nur ca. 18 g/mol. Deshalb ist feuchte Luft geringfĂŒgig leichter.
Der Brechungsindex der Luft betrĂ€gt unter Normalbedingungen fĂŒr sichtbares Licht ungefĂ€hr 1,00029. Sie hĂ€ngt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit.
Spezifische WÀrmekapazitÀt unter Normalbedingungen:
Die WÀrmeleitfÀhigkeit <math>\lambda</math> von Luft ist unter Normalbedingungen <math>0,0261 \; {\mathrm W}/ ({\mathrm m} \cdot {\mathrm K})</math>.
Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. GemÀà dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine VerĂ€nderung der natĂŒrlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, RuĂ, Staub, Aerosole, DĂ€mpfe oder Geruchsstoffe. Von Bedeutung sind erhöhte Ozonwerte fĂŒr den Smog und Schwefeldioxidkonzentrationen fĂŒr den sauren Regen.
In den meisten IndustrielĂ€ndern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zurĂŒckgegangen. Gleichzeitig hat der AusstoĂ von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist fĂŒr LĂ€nder der Dritten Welt sowie SchwellenlĂ€nder wie China noch ein erhebliches Problem.
Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft fĂŒr eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fĂŒnf Platonischen Körper zugeordnet.
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