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Luftdruck
Der Luftdruck an einem beliebigen Ort der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht.
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Grundlagen und Einheiten
Luftdruck ist der hydrostatische Druck der Luft an einem beliebigen Ort der Erdatmosphäre. Er entsteht durch die Gewichtskraft der Luftsäule, die über der Erdoberfläche oder einem Körper steht. Der mittlere atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt unter Standardbedingungen 101.325 Pa = 101,325 kPa = 1013,25 hPa = 1 atm, also etwa 1 bar.
Die Erdatmosphäre besitzt eine Masse von rund 5,13 · 10^18 kg. Über jedem Quadratmeter der etwa 5,1 · 10^8 km² großen Erdoberfläche befinden sich etwas mehr als 10000 kg Luft. Deshalb beträgt der Druck auf Meereshöhe ungefähr 10^5 N/m² oder 1 bar. Das Gewicht der von einem Körper verdrängten Luft erzeugt statischen Auftrieb. Bei einer genauen Massenbestimmung mit einer Waage muss dieser Einfluss berücksichtigt werden; er hängt ebenfalls vom Luftdruck ab.
Die internationale SI-Einheit ist das Pascal (Pa). Ebenfalls zulässig ist das Bar: 1 bar = 10^5 Pa. Meist wird der Luftdruck in Hektopascal (hPa) angegeben; auf Meereshöhe sind es rund 1000 hPa. Millibar (mbar) hat denselben Zahlenwert wie hPa. Bei Quecksilberbarometern findet man außerdem Torr: 1 Torr entspricht 1 mm Quecksilbersäule, und 1013,25 hPa entsprechen 760 Torr. Historische Einheiten wie die physikalische oder technische Atmosphäre sind nach dem Einheitenrecht nicht mehr zulässig.
Abnahme mit der Höhe und zeitliche Schwankungen
Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab, weil ein immer größerer Teil der Luftsäule unterhalb des betrachteten Ortes liegt. In Meereshöhe sinkt er ungefähr um 1 hPa je 8 m. Für eine Standardatmosphäre mit 15 °C auf Meereshöhe und p0 = 1013,25 hPa beschreibt die barometrische Höhenformel den Druck näherungsweise:
p(H) ≈ p0 · exp(−H/H0).
Dabei ist H die Höhe über dem Meer und H0 = 8435 m. Für die Luftdichte bei 0 °C ergibt sich H0 = 7990 m ≈ 8 km. Die Formel ist nur eine Annäherung, weil sie eine konstante Temperatur und Luftzusammensetzung voraussetzt, die Abnahme der Schwerebeschleunigung nicht berücksichtigt und Wetterbewegungen nicht erfassen kann. Barometrische Höhenmesser können damit bei stabiler Wetterlage über einige hundert Höhenmeter innerhalb einiger Stunden eine Genauigkeit von ±10 m erreichen. Aus der Formel folgt die Faustregel: 1 % Druckabnahme je 80 m beziehungsweise 10 % je 840 m.
Beispiele: In 1000 m Höhe beträgt der Druck etwa 891 hPa, in 2962 m an der Zugspitze 693 hPa, in 8848 m am Mount Everest 325 hPa und in 13 km Reiseflughöhe 191 hPa. In 50 km Höhe sind es noch 165 Pa, in 100 km an der Grenze zum Weltraum etwa 0,3 Pa. Unterhalb des Meeresspiegels liegen die Werte höher; am Toten Meer auf −425 m sind es etwa 1070 hPa.
Der Luftdruck zeigt außerdem regelmäßige zeitliche Schwankungen. Im Tagesgang gibt es zwei Maxima gegen 10 und 22 Uhr sowie zwei Minima gegen 4 und 16 Uhr Ortszeit. Ursache sind tägliche Temperaturschwankungen. Der stärkere 12-Stunden-Rhythmus heißt semicircadian, der schwächere 24-Stunden-Rhythmus circadian. In Äquatornähe können die Schwankungen bis zu 5 hPa betragen, in mittleren Breiten etwa 0,5 bis 1 hPa. Wetterbedingte Druckänderungen überlagern diesen Tagesgang meist. Im langjährigen Jahresgang Mitteleuropas liegt ein Minimum im April; vergleichsweise hohe Werte treten im Mai und September auf.
Messung und Hintergrundwellen
1647 zeigte Blaise Pascal mit seinem Experiment vide dans le vide, dass Luft ein Gewicht besitzt: Die Höhe einer Quecksilbersäule nimmt mit steigender Seehöhe um 1 mm je 10,5 m ab. Otto von Guericke demonstrierte 1663 mit den Magdeburger Halbkugeln den Luftdruck. Zwei luftdicht aneinanderliegende Halbkugeln konnten nach dem Evakuieren des Zwischenraums selbst von zwei entgegengesetzt ziehenden Pferdegespannen nicht getrennt werden.
Ein Flüssigbarometer nutzt eine mehr als zehn Meter lange, einseitig verschlossene Wasserröhre. Der äußere Luftdruck drückt das Wasser in der Röhre höchstens etwa zehn Meter hoch; bei hohem Druck steigt es höher, bei niedrigem Druck weniger hoch. Im oberen Hohlraum befindet sich bei 20 °C nur Wasserdampf mit etwa 23 hPa Dampfdruck. Quecksilber eignet sich besser, weil die Säule bereits bei 760 mm abreißt und Quecksilber kaum verdampft. Auch das Goethe-Barometer beruht auf diesem Prinzip.
Häufige Haushaltsbarometer enthalten eine luftleere Vidie-Dose oder mehrere solcher Dosen. Steigender Luftdruck drückt die dünne Metalldose zusammen und bewegt über eine Verbindung einen Zeiger. Ein Vakuum verhindert den Einfluss der Ausdehnung eingeschlossener Luft bei Erwärmung, dennoch bleiben temperaturabhängige Messfehler. Elektronische MEMS-Barometer in Smartphones besitzen inklusive Gehäuse wenige mm³ Größe und eine absolute Grenzabweichung von etwa ±0,06 hPa, entsprechend einem Höhenunterschied von ±50 cm. Sie dienen auch der Höhenstabilisierung von Drohnen und der Navigation. Flugzeuge messen den möglichst unbeeinflussten statischen Druck mit Pitot-Sonden, Schleppkegeln oder Schleppbomben.
Schwache Druckschwankungen im Hintergrundrauschen haben typisch eine sehr niedrige Frequenz um 0,2 Hz und Amplituden unter 1 Pa. Mikrobarome entstehen durch Wettererscheinungen oder stürmische See. Auch Meteorzerbersten, Überschallknalle und (Atom-)Bombenexplosionen können weit entfernt messbare Druckwellen erzeugen.
Bedeutung für Wetter, Luftfahrt und Schifffahrt
Regionale Luftdruckunterschiede sind entscheidend für die Entstehung des Wetters. In Wetterkarten wird der Druck durch Isobaren dargestellt. Für Vergleiche verwendet man häufig den auf Meereshöhe reduzierten relativen Luftdruck, weil eine direkte Messung am Boden sonst vor allem die Gelände- und Gebäudehöhe widerspiegeln würde. Druckunterschiede erzeugen einen Luftdruckgradienten; zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten setzt dadurch Wind als Ausgleichsströmung ein.
In der Luftfahrt sind Höhenmesser im Prinzip Barometer. Sie bestimmen die Flughöhe aus dem statischen Druck nach der barometrischen Höhenformel. Ein unerwartet niedriger örtlicher Druck kann eine zu große Höhe vortäuschen; deshalb gilt der Merksatz „Von Hoch nach Tief geht schief“. Der Höhenmesser wird vor und gegebenenfalls während des Fluges auf den aktuellen Luftdruck eingestellt. Ab der Transition Altitude werden alle Höhenmesser auf den Standarddruck 1013,25 hPa eingestellt. Dadurch kann die Anzeige von der tatsächlichen Höhe abweichen, aber die gleichen absoluten Messfehler für alle Flugzeuge verringern das Kollisionsrisiko.
Wichtige Luftfahrtangaben sind:
- QFE: tatsächlicher Luftdruck am Messort; der Höhenmesser zeigt die Höhe über dem Messort.
- QNH: auf Meereshöhe und die ICAO-Standardatmosphäre zurückgerechneter Druck, mit 15 °C und einem Temperaturgradienten von 0,65 °C/100 m; angezeigt wird die Höhe über dem Meeresspiegel.
- QFF: auf Meereshöhe zurückgerechneter Druck unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiteren Faktoren.
Auf Flugplätzen wird überwiegend QNH verwendet, in der Meteorologie QFF. In der Schifffahrt warnen rasche Druckänderungen vor Wetterumschwüngen. Ein rascher Druckabfall bedeutet häufig Starkwind- oder Sturmgefahr. In gemäßigten Breiten folgt bei einem Abfall von mehr als 1 bis 2 hPa pro Stunde mit hoher Wahrscheinlichkeit Starkwind oder Sturm. Ein starker Druckanstieg führt dagegen nicht immer zu einer schnellen Windabnahme.
Rekorde und Siedetemperatur
Der historische globale Tiefstwert des auf Meereshöhe bezogenen Luftdrucks beträgt geschätzt 870 hPa, gemessen am 12. Oktober 1979 im Taifun Tip nahe Guam. Eine andere Quelle nennt 856 hPa im September 1958 bei einem Taifun nahe Okinawa; das Digitale Taifunarchiv bestätigt diesen Wert jedoch nicht. Der stärkste auf dem Atlantik innerhalb von 24 Stunden gemessene Druckabfall betrug im Hurrikan Wilma im Oktober 2005 98 hPa; der Kerndruck sank auf 882 hPa. Beim Taifun Forrest wurden im September 1983 im nordwestlichen Pazifik 100 hPa in gut 23 Stunden gemessen.
Der höchste weltweit gemessene, auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck betrug 1084,8 hPa am 19. Dezember 2001 in Tosontsengel (Mongolei, Stationshöhe 1723 m). Für Stationen unter 750 m gilt 1083,8 hPa am Agata-See in Sibirien als Höchstwert; er wurde am 31. Dezember 1968 bei 262 m Höhe gemessen. In Deutschland wurden 1060,8 hPa am 23. Januar 1907 in Greifswald und als niedrigster auf Meereshöhe umgerechneter Wert 954,4 hPa am 27. November 1983 in Emden registriert. Der Tiefstrekord 870 hPa liegt 14,1 % unter dem Normdruck 1013,25 hPa, der Höchstwert 1084,8 hPa 7,1 % darüber.
Der Siedepunkt von Wasser sinkt mit abnehmendem Luftdruck und damit im Allgemeinen mit zunehmender Höhe. Als Faustregel sinkt er je 300 m um etwa 1 °C. Bei 1013,25 hPa siedet reines Wasser bei 100,000 °C und auf Meereshöhe; bei 800 hPa sind es 93,460 °C in etwa 1949 m Höhe, bei 500 hPa 81,300 °C in etwa 5574 m und bei 315 hPa 70,320 °C am Mount Everest (8848 m). Auf hohen Bergen können Gemüse oder Eier deshalb langsamer oder gar nicht garen. Salz erhöht die Siedetemperatur abhängig von seiner Konzentration; ein Schnellkochtopf kann den niedrigeren Siedepunkt überkompensieren.
