Luft

Definition und Zusammensetzung

Luft ist das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Trockene Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (N₂, 78,084 Vol.-% beziehungsweise 75,518 Masse-%) und Sauerstoff (O₂, 20,942 Vol.-% beziehungsweise 23,135 Masse-%). Dazu kommen Argon (Ar, 0,934 Vol.-% beziehungsweise 1,288 Masse-%) und Spurengase, also Gase mit sehr kleinen Konzentrationen. Die drei Hauptbestandteile ergeben zusammen 99,960 Vol.-% beziehungsweise 99,941 Masse-%.

Kohlenstoffdioxid (CO₂) beträgt in der angegebenen Zusammensetzung 0,040 % beziehungsweise 400 ppm und 0,059 Masse-% beziehungsweise 590 ppm. Weitere Spurengase sind unter anderem Neon (18,18 ppm), Helium (5,24 ppm), Methan (1,85 ppm), Krypton (1,14 ppm), Wasserstoff (~500 ppb), Distickstoffoxid (328 ppb), Kohlenstoffmonoxid (100–250 ppb) und Xenon (87 ppb). Außerdem kommen halogenierte Kohlenwasserstoffe wie CFC-12, CFC-11, HCFC-22, Tetrachlorkohlenstoff, CFC-113, HCFC-141b und HCFC-142b sowie Schwefelhexafluorid, Bromchlordifluormethan und Bromtrifluormethan in ppt-Konzentrationen vor. Radioaktive Bestandteile sind Radiokohlenstoff (¹⁴C, 10⁻¹³ %) und Radon (Rn, 10⁻¹⁹ %).

Die trockene Atmosphäre hat eine Gesamtmasse von 5,135 · 10¹⁵ t. Wasser erhöht sie als Feuchtigkeit auf 5,148 · 10¹⁵ t. Wasser und Wasserdampf machen über die gesamte Atmosphäre gemittelt 0,4 Vol.-% aus. Zusätzlich enthält Luft Aerosole, also feste oder flüssige Teilchen, sowie Staub und biologische Teilchen wie Pollen und Pilz- oder Farnsporen. Im natürlichen Zustand ist Luft für Menschen geruch- und geschmacklos.

Die Anteile der Atmosphärengase sind keine Naturkonstanten. Die Zusammensetzung veränderte sich in der Erdgeschichte mehrfach grundlegend; seit 350 Millionen Jahren sind die Hauptbestandteile weitgehend stabil. Die Tabellenwerte sind globale Mittelwerte für die freie Troposphäre. Chemisch stabile Bestandteile sind außerhalb ihrer Quellen bis etwa 100 km Höhe in der Homosphäre weitgehend gleichmäßig verteilt, während reaktive Spurengase deutliche Konzentrationsunterschiede zeigen. Flüssige Luft kann tiefkalt verflüssigt und durch fraktionierende Destillation, meist mithilfe des Linde-Verfahrens, in ihre Bestandteile getrennt werden.

Bedeutung der Haupt- und Spurengase

Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft und chemisch inert, also wenig reaktionsfähig. Durch natürliche biotische und abiotische Stickstofffixierung wird er organisch gebunden und für Lebewesen nutzbar. Technisch wird Luftstickstoff im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln eingesetzt. Die Denitrifikation, der entgegengesetzte chemische Prozess, verläuft rascher, sodass der Stickstoffkreislauf den atmosphärischen Anteil kaum verändert. Durch kosmische Strahlung entstehen aus Stickstoff geringe Mengen ¹⁴C, die für die Radiokarbonmethode zur archäologischen Datierung genutzt werden.

Sauerstoff ist hauptsächlich durch Photosynthese aus Wasser entstanden. Er verleiht der Atmosphäre ihren oxidierenden Charakter und ist das wichtigste Oxidationsmittel für biologische Atmung und Verbrennung. Aerobe Lebewesen benötigen ihn für ihren Stoffwechsel. Pflanzen nutzen Kohlenstoffdioxid für die Photosynthese und geben dabei Sauerstoff ab; der Sauerstoffkreislauf hält dadurch einen dauerhaften Vorrat für Aerobier und photosynthetisch aktive Pflanzen aufrecht. Der globale Sauerstoffgehalt beträgt 20,946 ± 0,006 Vol.-% und nimmt leicht um 0,0004 Vol.-%/Jahr beziehungsweise 4 ppmv/a ab. Dieser Rückgang steht gegenläufig mit Kohlenstoffdioxid aus fossilen Brennstoffen und Biomasseverbrennung in Zusammenhang.

Argon ist ein äußerst reaktionsträges Edelgas und mit 0,934 Vol.-% relativ häufig. Es wird als Inertgas beim Metallschweißen und zum Füllen von Glühlampen sowie von Mehrscheiben-Isolierglas eingesetzt. Seine etwas geringere Wärmeleitfähigkeit als die von Luft ist dabei nützlich. Argon entsteht langsam durch den radioaktiven Zerfall von Kalium-40, ist stabil und dichter als Luft.

Wasserdampf ist der gasförmige Anteil des Wassers in der Luft und bestimmt die Luftfeuchtigkeit mit. Sein Anteil schwankt zwischen einem zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen; in Bodennähe beträgt der Mittelwert 1,3 Vol.-%. Wasserdampf hat nur 62,5 % der Dichte trockener Luft. Feuchte Luft wird deshalb nach oben gedrückt, wo in kälteren Schichten Kondensation einsetzt. Oberhalb dieser Schichten ist der Wasserdampfgehalt sehr gering.

Kohlenstoffdioxid ist trotz seines kleinen Anteils das – unter Berücksichtigung des Wasserdampfs – fünfthäufigste Atmosphärengas und wird wegen seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen teilweise zu den Hauptbestandteilen gerechnet. Es liefert den Kohlenstoff für die Photosynthese. Bodennah gibt es bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und ein Tagesminimum. Auf der Nordhalbkugel liegt das Jahresmaximum im März bis April, das Minimum im Oktober oder November. Seit Beginn der Industrialisierung stieg der CO₂-Gehalt um über 40 % beziehungsweise um 0,01 % CO₂. 2013 überschritt die Messstation Mauna Loa erstmals 400 ppm. Der Anstieg ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine Ursache der globalen Erwärmung.

Zu den weiteren Edelgasen gehören Neon, Helium, Krypton und Xenon; Radon ist das seltenste Edelgas. Helium entsteht bei radioaktiven Alpha-Zerfällen und entweicht wegen seiner geringen Dichte in den Weltraum. Neon verflüchtigt sich ebenfalls teilweise. Radon kann aus Gestein austreten, sich besonders in Kellern anreichern und radioaktiv zerfallen.

Ozon wird in der Stratosphäre häufig in Dobson-Einheiten angegeben. Seine Konzentration hängt unter anderem von Höhe, Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit ab. In gemäßigten Breiten und besiedelten Gebieten liegen typische Werte bei 30–60 ppb auf der Nordhalbkugel und tendenziell etwa 10 ppb niedriger auf der Südhalbkugel. Bei ODEs (ozone depletion events) können die normalerweise 20–40 ppb betragenden Werte im polaren Frühling auf unter 5 ppb sinken. Kohlenstoffmonoxid ist ein unsichtbares, brennbares und giftiges Gas aus unvollständiger Verbrennung. Es blockiert den Sauerstofftransport im Blut, kann in geringen Dosen tödlich sein und entsteht beispielsweise beim Tabakrauchen, in Verbrennungsmotoren und bei Vegetationsbränden. Diese sind mit etwa 60 % der weltweiten Emissionen die Hauptquelle.

Physikalische Eigenschaften

Die Luftdichte hängt von Temperatur, Wasserdampfgehalt, Druck und Höhe ab. Als Faustregel beträgt sie auf Meereshöhe etwa 1,25 kg/m³, also nur 1/800 der Dichte von Wasser. Unter Normalbedingungen beträgt sie 1,293 kg/m³. Bei 20 °C liegt sie in der Tabelle bei 1,204 kg/m³, bei −10 °C bei 1,341 kg/m³ und bei +30 °C bei 1,164 kg/m³.

Die mittlere Molmasse ist die Summe der Produkte aus den Molmassen und Stoffmengenanteilen der Bestandteile, vor allem von Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Für trockene Luft beträgt sie exakt 28,949 g/mol. Feuchte Luft hat eine geringere mittlere Molmasse, weil Wasserdampf nur etwa 18 g/mol besitzt.

Der Luftdruck entsteht durch die Gewichtskraft der Luftsäule und hängt nach der barometrischen Höhenformel von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Auch Wetter und Wind verursachen Schwankungen. Über einem Quadratmeter Bodenfläche lastet entsprechend dem Luftdruck eine Luftmasse von etwa 1000 kg. Der technische Luftdruck beträgt 1 bar; der durchschnittliche Luftdruck an der Erdoberfläche liegt bei etwa 850 bis 980 hPa. Ein Barometer misst den Luftdruck.

Die Lufttemperatur bezeichnet die Temperatur der bodennahen Luft, die nicht direkt durch Sonnenstrahlung, Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. In der Meteorologie wird sie in zwei Metern Höhe gemessen, häufig in einem weiß gestrichenen Wetterhäuschen. Luftfeuchtigkeit ist der Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird unter anderem durch Dampfdruck, Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte beschrieben.

Weitere Werte unter Normalbedingungen sind:

Schallgeschwindigkeit: 331,5 m/s.
Brechungsindex für sichtbares Licht: ungefähr n = 1,00029; er hängt von Druck, Temperatur, Zusammensetzung und besonders von der Luftfeuchtigkeit ab.
Spezifische Wärmekapazität: cₚ = 1,005 kJ/(kg · K) bei isobarer Zustandsänderung und cᵥ = 0,718 kJ/(kg · K) bei isochorer Zustandsänderung.
Wärmeleitfähigkeit: λ = 0,0261 W/(m · K).

Lichtstreuung in der Atmosphäre

Gasmoleküle wie Stickstoff und Sauerstoff streuen Sonnenlicht abhängig von seiner Wellenlänge unterschiedlich stark. Diese Rayleigh-Streuung betrifft kurzwelliges blaues Licht besonders stark und lässt den Himmel typischerweise blau erscheinen. Bei einem längeren Weg durch die Atmosphäre wird der blaue Anteil zunehmend herausgestreut; der weniger stark gestreute rote Anteil überwiegt dann.

Im Zenit durchläuft Sonnenlicht die Atmosphäre etwa 90 km. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, wenn die Sonne am Horizont steht, ist der Weg etwa zwölfmal länger und beträgt ungefähr 1075 km. Dadurch entstehen Morgenrot und Abendrot mit Farbabstufungen von Rosa und Lila über Rot bis tiefem Orange.

Neben elastischer Streuung gibt es inelastische Streuung. Rotationsramanstreuung verschiebt Energien um einige 10 cm⁻¹ und füllt dadurch Fraunhoferlinien teilweise auf; dieser Ring-Effekt kann bei einer spektralen Auflösung von 0,5 nm optische Dicken von bis zu 2 % erreichen. Er muss bei verschiedenen DOAS-Fernerkundungsmethoden zur Messung von Spurengasen korrigiert werden. Vibrationsramanstreuung verschiebt die Wellenzahl um 1550 cm⁻¹ bei O₂ und 2330 cm⁻¹ bei N₂. Ihr verschobenes Abbild des Sonnenlichts kann bis zu 0,04 % der ursprünglichen Intensität betragen.

Luftverunreinigung und kulturelle Bedeutung

Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teil der Umweltverschmutzung. Nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Erhöhte Ozonwerte sind für Smog wichtig, Schwefeldioxid für sauren Regen. Auch Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen beeinflussen die Chemie der Luft stark.

In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung durch gesetzliche Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten deutlich zurückgegangen. Gleichzeitig nahm der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zu. Lokale und regionale Luftverschmutzung bleibt für Länder der Dritten Welt und Schwellenländer wie China ein erhebliches Problem. Spurengase wirken vielfältig und beeinflussen sich gegenseitig. Ozon ist bodennah Schadstoff und Treibhausgas, spielt über die Hydroxylradikalchemie aber auch eine wesentliche Rolle bei den Selbstreinigungsmechanismen der Atmosphäre. In der Luft wurden außerdem besonders viel Mikroplastik, etwa in London, sowie Pestizide nachgewiesen, die über weite Entfernungen verweht werden.

In der Alchemie galt Luft neben Feuer, Wasser und Erde als eines der vier Grundelemente. Die griechischen Naturphilosophen ordneten ihr den Oktaeder als einen der fünf platonischen Körper zu.