AlsLuft bezeichnet man dasGasgemisch derErdatmosphäre. Trockene Luft besteht hauptsächlich aus den zweiGasenStickstoff (rund 78,08 Vol.-%) undSauerstoff (rund 20,95 Vol.-%). Daneben gibt es noch die KomponentenArgon (0,93 Vol.-%),Kohlenstoffdioxid (0,04 Vol.-%) und andere Gase in Spuren.

Feste und flüssige Teilchen,Aerosole genannt, sind ebenfalls Bestandteile von Luft. Wasser undWasserdampf ist im Mittel zu 0,4 Vol.-% in der gesamten Erdatmosphäre enthalten. Diese Bestandteile werden separat aufgelistet.

Zusätzlich enthält Luft auchStaub und biologische Teilchen (z. B.Pollen, Pilz- und Farn-Sporen). Im natürlichen Zustand ist sie für Menschen geruch- und geschmacklos.

Die Dichte von Luft beträgt auf Meereshöhe alsFaustregel etwa 1,25 kg/m³ – also nur 1/800 der von Wasser – und wird von Temperatur, Wasserdampfgehalt und Druck, der mit der Seehöhe abnimmt, bedeutend beeinflusst.

Die Anteile der Atmosphärengase sind keineNaturkonstanten. In der seit Jahrmilliarden andauerndenEntwicklung der Erdatmosphäre veränderte sich die Zusammensetzung ständig und mehrmals grundlegend. Seit 350 Millionen Jahren sind die Hauptbestandteile weitgehend stabil. Die aktuelle Mischung ist für trockene Luft in der Tabelle rechts wiedergegeben, wobei zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen unterschieden wird. Die angegebenen Konzentrationen stellen globaleMittelwerte für die freieTroposphäre dar. Die der chemisch stabilen Komponenten sind abseits vonQuellen in der gesamtenHomosphäre einheitlich, also bis in eine Höhe von etwa 100 km. Beireaktiven Spurenstoffen gibt es erheblicheGradienten.

Trennung in die Bestandteile

Tiefkalt verflüssigt kannFlüssige Luft durchfraktionierende Destillation in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meist mit Hilfe desLinde-Verfahrens.

Der Hauptbestandteil der Luft ist chemischinert. Er wird durch die natürliche (biotische und abiotische)Stickstofffixierung organisch gebunden und damit fürLebewesen nutzbar. Technisch wird der Luftstickstoff über dasHaber-Bosch-Verfahren zurDüngemittelherstellung verwendet. Der entgegengesetzte chemische Prozess – dieDenitrifikation verläuft rascher, so dass derStickstoffkreislauf den Stickstoffanteil in der Atmosphäre kaum verändert.

Aus dem Stickstoff der Luft entstehen durchkosmische Strahlung geringe Mengenradioaktiver Kohlenstoff (¹⁴C), was mit derRadiokarbonmethode für archäologische Datierungen ausgenutzt wird.

Der molekulareSauerstoff der Luft ist hauptsächlich durchPhotosynthese aus Wasser gebildet worden, wobei die im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das Zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt. Er verleiht der Atmosphäre ihren oxidierenden Charakter und stellt das wichtigsteOxidationsmittel dar, das für die biologischeAtmung bzw. die chemischenVerbrennungsvorgänge benötigt wird.

Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alleaeroben Lebewesen zum Leben notwendig. Durch Atmung führen sie Sauerstoff ihremStoffwechsel zur Verbrennung (Katabolismus) zu.Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zurPhotosynthese und spalten dabei den Sauerstoff ab. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzigeKohlenstoffquelle für vitale Prozesse und Körpersubstanz (Anabolismus). Bei diesem organischen Prozess wird fast der gesamte Luftsauerstoff der Luft regeneriert. DerSauerstoffkreislauf ermöglicht die Aufrechterhaltung und Verteilung eines dauerhaften Vorrats an Ressourcen für Aerobier und photosynthetisch aktive Pflanzen.

Der gegenwärtige globale Luftsauerstoffgehalt bleibt mit einem Niveau von 20,946 ± 0,006 Vol. % bemerkenswert konstant, mit einem leichten Rückgang von 0,0004 Vol. %/Jahr (4 ppmv/a), der mit Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen und Biomasseverbrennung gegenkorreliert ist.^[9][10]

Argon ist alsEdelgas äußerst reaktionsträge und mit fast 1 % Gehalt relativ häufig. So ist es kostengünstig und wird als Inertgas etwa beim Metallschweißen und zur Füllung von Glühlampen eingesetzt. Dort und als Füllung von Mehrscheiben-Isolierglas nutzt man die relativ zu Luft etwas geringere Wärmeleitfähigkeit. (Teures, raresKrypton dient in Spezialfällen als noch besseres Wärme-Isoliergas.)

Argon entsteht langsam durch radioaktiven Zerfall vonKalium-40, ist stabil und dichter als Luft und verbleibt daher in der Atmosphäre.

Die Umgebungsluft ist nicht „trocken“, sondern enthält Wasser im gasförmigenAggregatzustand (Wasserdampf), man spricht vonLuftfeuchtigkeit. Der Wasserdampfgehalt schwankt zwischen einem zehntel Volumenprozent an denPolen und drei Volumenprozent in denTropen, mit einem Mittelwert von 1,3 Vol.-% in Bodennähe. Da der Wasserdampfanteil die Dichte der Luft verringert (62,5 % der Dichte „trockener“ Luft), wird feuchtere Luft nach oben gedrückt, wo dann in kühleren SchichtenKondensation auftritt, also der Wasserdampfgehalt im Gasgemisch sinkt. Oberhalb der Kondensationsschichten ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass über die gesamte Atmosphäre gemittelt nur 0,4 Vol.-% Wasserdampf in der Luft sind.

Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen. Deren niedrige Konzentrationen können durch vergleichsweise geringe Emissionen beeinflusst werden. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Nach seinem Anteil ist Kohlenstoffdioxid ein Spurengas, aber das – unter Berücksichtigung von Wasserdampf – fünfthäufigste Atmosphärengas. Wegen seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen wird es oft zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet.

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids (umgangssprachlich oft als Kohlendioxid bezeichnet) liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese. Die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration wirkt stark auf das Pflanzenwachstum. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also die Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, schwanken die bodennahen CO₂-Konzentrationen im Tagesgang. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt ist im Jahresverlauf vorhanden, da die außertropische Vegetation ausgeprägteVegetationsperioden besitzt. Auf der Nordhalbkugel besteht ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November. Dazu trägt auch dieHeizperiode durch erhöhten Verbrauch fossiler Brennstoffe bei.

Insgesamt hat der Kohlenstoffdioxidgehalt seit Beginn derIndustrialisierung um über 40 % (+0,01 % CO₂) zugenommen. Dies ist im Zusammenhang mit demanthropogenenTreibhauseffekt eine der Ursachen für dieglobale Erwärmung, für die ein Referenzwert im erdgeschichtlichen Klima von weniger als 100 Jahren gilt. 2013 überstieg die CO₂-Konzentration an derMessstation Mauna Loa erstmals den Wert von 400 ppm.^[11]

Während Argon mit rund 1 % zu den Hauptbestandteilen der Luft gehört (siehe oben), zählen die weiteren EdelgaseNeon,Helium undKrypton mit Volumenanteilen von jeweils > 1 ppm zu den Spurengasen (vgl. Tabelle). Noch seltener istXenon (Volumenanteil < 0,1 ppm).Radon ist das seltenste Edelgas in der Luft (mittlerer Volumenanteil 1:10²¹), kann jedoch –isotopenabhängig – über seine Radioaktivität gut bestimmt werden.

Helium wird bei jedem radioaktiven Alpha-Zerfall frei. Helium ist viel leichter als Luft und entweicht in den Weltraum. Auch das zweitleichteste Edelgas Neon verflüchtigt sich dorthin, so dass von diesen beiden nur Spuren in der Atmosphäre vorkommen.

Aus manchem Gestein dringt als Glied radioaktiver ZerfallsreihenRadon, das sich in Kellern anreichern kann (sieheRadonbelastung) und strahlend weiterzerfällt.

Für die Stratosphäre werden Ozonwerte oftmals nicht in Anteilen, sondern in derDobson-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 dieser Wert sehr variabel. Aufgrund der hohen Reaktivität von Ozon spielt es bei chemischen Reaktionen vielfältiger Art in der Atmosphäre eine zentrale Rolle. Ein Beispiel sind die ODEs (ozone depletion events), bei denen während des polaren Frühlings regelmäßig starke Einbrüche in der Ozonkonzentration von normalerweise 20–40 ppb auf < 5 ppb beobachtet werden können. Diese Erscheinungen werden beispielsweise durch die Freisetzung von Halogenen durch natürliche Prozesse oder durch Mischung von Luftmassen bewirkt. Typische Ozonkonzentrationen in gemäßigten Breiten und besiedeltem Gebiet sind 30–60 ppb auf der Nordhalbkugel und tendenziell ca. 10 ppb weniger auf der Südhalbkugel aufgrund der Rolle von Ozon in derStickoxidchemie.

Kohlenstoffmonoxid (umgangssprachlich oft als Kohlenmonoxid bezeichnet) ist ein unsichtbares brennbares giftigesGas, das bei der unvollständigenVerbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen entsteht. Es blockiert den Sauerstofftransport im Blut (Kohlenstoffmonoxidvergiftung) und kann schon in geringen Dosen zum Tod führen. Auch schädigt es die Photosynthese derPflanzen. Es bildet sich z. B. beimTabakrauchen und imVerbrennungsmotor. Auto- und Flugabgase ohneAbgasnachbehandlung durch einenFahrzeugkatalysator können bis zu 4 % CO enthalten, der Standardwert fürTabakrauch. Brände derVegetation sind mit ca. 60 % der Emissionen weltweit Hauptquelle für Kohlenstoffmonoxid.

• Methan
• Wasserstoff
• Distickstoffoxid und andereStickoxide
• Hydroxyl-Radikal
• Peroxyacetylnitrat
• Chloroxide,Iodoxide undBromoxide und molekularesIod
• Schwefeldioxid, neben anthropogenen Quellen hauptsächlich ausDimethylsulfid und Vulkanen.
• organische Verbindungen, die oftmals durch Oxidation oderPhotolyse aus längerkettigen organischen Verbindungen entstehen (beispielsweise pflanzlichePinene,Formaldehyd undGlyoxal)
• halogenierte Kohlenwasserstoffe biogener und anthropogener Natur

Die mittlere Molmasse ergibt sich als Summe der Produkte der Molmassen und Stoffmengenanteile der Bestandteile, hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. Für trockene Luft ist der exakte Wert 28,949 g/mol.^[4] Enthält die Luft noch Feuchtigkeit, ist die mittlere Molmasse geringer, da die Molmasse vonWasserdampf nur ca. 18 g/mol beträgt.

UnterNormalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m³.^[12]

DieGewichtskraft der Luftsäule erzeugt einenstatischen Druck. Dieser Druck hängt gemäß derbarometrischen Höhenformel von der Höhe über demMeeresspiegel ab. Zusätzlich ist der Luftdruck vom Wetter abhängig. Wind und allgemein Änderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. EinBarometer zur Messung des Luftdrucks gehört daher zur Grundausstattung vonWetterstationen. Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.

Als Lufttemperatur wird dieTemperatur der bodennahen Luft bezeichnet, die weder vonSonnenstrahlung noch vonBodenwärme oderWärmeleitung beeinflusst ist. Die genaueDefinition in Wissenschaft und Technik ist unterschiedlich. In derMeteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür häufig weiß gestricheneWetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfes an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wieDampfdruck undTaupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte angegeben.

UnterNormalbedingungen ist dieSchallgeschwindigkeit in Luft gleich 331,5 m/s.

DerBrechungsindex${\displaystyle n}$ der Luft beträgt unter Normalbedingungen fürsichtbares Licht ungefähr 1,00029. Der Wert hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Weil${\displaystyle n-1}$ ungefähr proportional zum Luftdruck ist, lässt sich der Brechungsindex mit einemMichelson-Interferometer bestimmen, dessen einer Arm durch ein Gebiet mit variablem Luftdruck reicht. Aus der entstehendenoptischen Weglängendifferenz bestimmt man mit bekanntem Druckunterschied den Brechungsindex.

Spezifische Wärmekapazität unter Normalbedingungen:

${\displaystyle c_p=\mathrm{1,005}\mathrm{k}\mathrm{J}/(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{K})}$ (isobare Zustandsänderung)

${\displaystyle c_v=\mathrm{0,718}\mathrm{k}\mathrm{J}/(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{K})}$ (isochore Zustandsänderung)

DieWärmeleitfähigkeit${\displaystyle \lambda }$ von Luft ist unter Normalbedingungen${\displaystyle \mathrm{0,026}1\mathrm{W}/(\mathrm{m}\cdot \mathrm{K})}$.

Die in Luft vorkommenden Gasmoleküle (Stickstoff, Sauerstoff usw.) streuen das einfallendeSonnenlicht, abhängig von seiner Wellenlänge, verschieden stark (Rayleigh-Streuung). Am stärksten wird das kurzwellige blaue Licht gestreut. Dieser Vorgang gibt der Luft ihre typischerweise natürlicheblaue Farbe, einteil-polarisiertes Muster. Ist der Weg des Lichtes durch die Luft länger, verschiebt sich die Streuung zu einem rötlichen Farbton hin. Dies hängt vom Sonnenlichteinfallswinkel ab. Steht die Sonne imZenit (senkrecht über dem Betrachter), durchläuft das Licht die Erdatmosphäre auf einer Länge von 90 km. Während eines Sonnenaufgangs/-abgangs steht die Sonne am Horizont (in horizontaler Augenlinie des Betrachters −0° zum Boden) und durchquert die Atmosphäre mit einer ca. 12-fachen Länge (ca. 1075 km). Mit fortschreitender Strecke des Lichtes durch die Atmosphäre wird der blaue vom roten Lichtanteil überlagert, da der Blauanteil immer mehr gestreut wird und der rote Anteil wegen seiner größeren Wellenlänge weniger stark gestreut wird. Dieser atmosphärische Effekt ist bei überwiegend wolkenlosem Horizont morgens und abends zu beobachten. Er wird alsMorgenröte bzw.Abendrot bezeichnet und reicht in den Farbabstufungen von leichtem Rosa bis Lila über Vollrot zu tiefem Orange.

Abgesehen von elastischer Streuung der Photonen ist in der Atmosphäre auch inelastische Streuung zu beobachten:Rotationsramanstreuung führt zu einer Umverteilung in den Energien der eintreffenden Strahlung innerhalb von einigen 10 cm⁻¹ und führt somit zu einem „Auffüllen“ der Fraunhoferlinien,^[13] den sogenannten Ring-Effekt.^[14] Bei einer spektralen Auflösung von 0,5 nm führt dieser Effekt zu optischen Dicken von typischerweise bis zu 2 %, wenn Himmelsstreulicht verschiedener Sonnenstände verglichen wird. Dieser Effekt muss in verschiedenenDOAS Fernerkundungsmethoden zur Messung von Spurengasen korrigiert werden.

Weiterhin kannVibrationsramanstreuung an Luftmolekülen dieWellenzahl der eintreffenden Photonen von 1550 cm⁻¹(O₂) und 2330 cm⁻¹(N₂) verschieben und somit ein wellenlängenverschobenes Abbild des Sonnenlichts über das beobachtete Sonnenlicht legen. Seine Intensität beträgt bis zu 0,04 % der ursprünglichen Intensität.^[15]

DieLuftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt derUmweltverschmutzung. Gemäß demBundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durchRauch,Ruß,Staub,Aerosole,Dämpfe oderGeruchsstoffe. Von Bedeutung sind erhöhteOzonwerte für denSmog und Schwefeldioxidkonzentrationen für densauren Regen, aber auch Konzentrationen vonStickoxiden undflüchtigen organischen Verbindungen, die ihrerseits wiederum einen großen Einfluss auf die Chemie der Luft haben.

In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zurLuftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat der Ausstoß vonTreibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist für Länder der Dritten Welt sowieSchwellenländer wieChina noch ein erhebliches Problem.

Die Effekte von Spurengasen sind vielfältig und beeinflussen sich in großem Maße auch gegenseitig. Beispielsweise spielt Ozon durch seine Rolle in der Hydroxylradikalchemie in bodennahen Luftschichten nicht nur die Rolle eines Schadstoffs und Treibhausgases, es ist essentiell für die Selbstreinigungsmechanismen der Atmosphäre insgesamt.^[16]

Besonders vielMikroplastik wurde in der Luft vonLondon nachgewiesen.^[17] AuchPestizide sind in der Luft nachweisbar und werden über weite Distanzen verweht.^[18]

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines dervier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde derOktaeder als einer der fünfplatonischen Körper zugeordnet. Der Asteroid des mittleren Hauptgürtels(369) Aëria ist nach Luft benannt.^[19]

• Horst Stöcker:Taschenbuch der Physik. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2007,ISBN 978-3-8171-1720-8.
• Robert Boyle:The general history of the air. Hrsg. und fertiggestellt vonJohn Locke. Awnsham and John Churchill, London 1692 (englisch).

Wikiquote: Luft – Zitate

Wiktionary: Luft – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 20 Jahre (englisch)

1. ↑^abcElizabeth Kay Berner, Robert A. Berner:Global Environment Water, Air, and Geochemical Cycles. Princeton University Press, 2012,ISBN 978-0-691-13678-3,S. 25 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
2. ↑World Meteorological Organization:Greenhouse gas concentrations in atmosphere reach yet another high | World Meteorological Organization, abgerufen am 26. November 2019
3. ↑^abDeutscher Wetterdienst:Wetter und Klima – Klimagase (CO2, CH4, N2O), abgerufen am 26. November 2019
4. ↑^abcdefDetlev Möller:Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht. Walter de Gruyter, 2003,ISBN 3-11-016431-0, S. 173.(Vorschau bei Google Books) (abgerufen am 27. März 2012).
5. ↑^abcdefBullister, J.L. (2017).Atmospheric Histories (1765–2015) for CFC-11, CFC-12, CFC-113, CCl4, SF6 and N2O (NCEI Accession 0164584). NOAA National Centers for Environmental Information. Unpublished Dataset.doi:10.3334/CDIAC/otg.CFC_ATM_Hist_2015, abgerufen am 26. November 2019
6. ↑Deutscher Wetterdienst:Wetter und Klima – Kohlenmonoxid (CO), abgerufen am 26. November 2019
7. ↑^abcPingyang Li, Jens Mühle u. a.:Atmospheric histories, growth rates and solubilities in seawater and other natural waters of the potential transient tracers HCFC-22, HCFC-141b, HCFC-142b, HFC-134a, HFC-125, HFC-23, PFC-14 and PFC-116. In:Ocean Science. 15, 2019, S. 33,doi:10.5194/os-15-33-2019.
8. ↑^abMartin K. Vollmer, Jens Mühle u. a.: Atmospheric histories and global emissions of halons H-1211 (CBrClF ), H-1301 (CBrF ), and H-2402 (CBrF CBrF ) . In:Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 121, 2016, S. 3663,doi:10.1002/2015JD024488.
9. ↑Jianping Huang, Jiping Huang u. a.:The global oxygen budget and its future projection. In:Science Bulletin. 63, 2018, S. 1180,doi:10.1016/j.scib.2018.07.023.
10. ↑Duursma Ek, Boisson Mprm (1994). Global oceanic and atmospheric oxygen stability considered in relation to the carbon-cycle and to different time scales. Oceanologica Acta, 17(2), 117-141. Open Access version :https://archimer.ifremer.fr/doc/00099/21024/
11. ↑The Keeling CurveA daily record of atmospheric carbon dioxide
12. ↑Stöcker 2007, S. 714.
13. ↑M. Vountas, V. V. Rozanov, J. P. Burrows:Ring effect: Impact of rotational Raman scattering on radiative transfer in Earth’s atmosphere. In:Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 60.6, 1998, S. 943–961.
14. ↑J. F. Grainger, J. Ring:Anomalous Fraunhofer line profiles. In:Nature. 193, 1962, S. 762.
15. ↑Derek Albert Long:Raman spectroscopy. McGraw-Hill, New York 1977,ISBN 0-07-038675-7.
16. ↑John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis:Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. John Wiley & Sons, 2012.
17. ↑Damian Carrington: Revealed: microplastic pollution is raining down on city dwellers. In: theguardian.com. 27. Dezember 2019, abgerufen am 28. Dezember 2019 (englisch). 
18. ↑Tina Berg: Pestizide: Gefahr in der Luft. In: beobachter.ch. 27. März 2019, abgerufen am 13. April 2019. 
19. ↑Lutz D. Schmadel:Dictionary of Minor Planet Names. Fifth Revised and Enlarged Edition. Hrsg.: Lutz D. Schmadel. 5. Auflage.Springer Verlag,Berlin,Heidelberg 2003,ISBN 3-540-29925-4,S. 186,doi:10.1007/978-3-540-29925-7_370 (englisch, 992 S., Originaltitel:Dictionary of Minor Planet Names. Erstausgabe: Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1992):“Discovered 1893 July 4 by A. Borrelly at Marseilles.” 

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