Luft

Zusammensetzung der Luft

Luft ist ein Stoffgemisch. Es besteht aus verschiedenen Gasen. Außerdem enthält die Luft auch Wasser in Form von Wasserdampf. Auch kleine Partikel fester Bestandteile können in der Luft als sogenannter Feinstaub enthalten sein. Die Gewinnung der einzelnen Gase aus der Luft erfolgt durch eine fraktionierte Destillation von verflüssigter Luft nach dem Linde-Verfahren (vergl. Artikel über Edelgasgewinnung). Die Luft bildet um der Erde eine Lufthülle, die Atmosphäre. Sie lässt sich aufgrund von unterschiedlicher Zusammensetzung, Temperatur und Druck in verschiedene Schichten einteilen. In den erdnahen Schichten setzt sich die Luft folgendermaßen zusammen:

Die Restgase beinhalten u. a. Spuren der Edelgase Helium, Neon und Krypton in Massenanteilen von einigen ppm (parts per millon) und Xenon, sowie Wasserstoff, Methan und Spuren einiger Halgogenkohlenwasserstoffe in Massenanteilen einiger ppb (parts per billion).

Die Zusammensetzung der Luft hat sich im Verlauf der Erdgeschichte verändert. Die Entstehung der heutigen Zusammensetzung dauerte Milliarden Jahre.

Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre lässt sich in verschiedene Schichten einteilen, sie wird zum Weltraum hin immer dünner, sodass es keine scharfe Grenze gibt.

Die erdnaheste Schicht ist die Troposphäre. Sie ist etwa 8 km dick, enthält fast 90 % der Luft sowie beinahe den gesamten Wasserdampf der Atmosphäre. Da sich dort auch der Großteil des Wetters abspielt bezeichnet man die Troposphäre auch als Wetterschicht. Die Temperatur in der Troposphäre sinkt mit zunehmender Höhe stetig bis auf -50 °C bis -60 °C. Sie wird begrenzt durch die Tropopause, eine dünne, sich über den ganzen Globus erstreckende Schicht in 10 bis 12 km Höhe, abhängig vom Wetter und der Region. In der Tropopause bleibt die Temperautur konstant. Es gibt kaum noch Vertikalbewegung der Luft, meist nur horiziontale Strahlströme (engl. jet streams) von bis zu 400 km/h Windgeschwindigkeiten. Die Tropopause wirkt wie eine Sperre und verhindert den Stoffaustausch zwischen der Troposphäre und den höheren Luftschichten weitgehend. Die 2. Schicht ist die Stratosphäre (lat. stratum: "Decke"). Sie erstreckt sich bis in ca. 50 km Höhe. Die Ozonschicht ist Teil der Stratosphäre, sie befindet sich in einer Höhe von ca. 20 km. Ab dieser Höhe steigt auch die Temperatur in der Stratosphäre langsam von -60 °C auf ca. 0 °C an, dies ist auf die Absorbtion der UV-Strahlung durch das Ozon zurückzuführen. Die Begrenzung der Stratosphäre in ca. 50 km Höhe ist die Stratopause. Darüber folgt als 3. Schicht die Mesosphäre (grich. meso: "mitte"). Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in der Mesosphäre (Sternschnuppen). Die folgende 4. Atmosphärenschicht ist die Thermosphäre (griech. thermos: warm). Der Luftdruck ist hier extrem niedrig, die mittlere freie Wegläge der Gasmoleküle beträgt mehrere Kilometer, sodass kaum Energieaustausch durch Kontakt stattfindet. Die Gasmoleküle werden durch die Sonnenergie in Ionen und freie Elektronen gespalten, wesshalb die Thermosphäre Teil der Ionosphäre ist. Die Ionosphäre spielt eine wichtige Rolle im Funkverkehr. Radiowellen werden daran reflektiert und so um die Erde geleitet. In der Thermosphäre umkeisen Space Shuttles und die internationale Raumstation ISS die Erde (ca. 350 km bis 400 km). Obwohl die Luft so dünn ist, macht sich auf Dauer noch der Luftwiederstand bemerkbar. So muss z. B. die ISS regelmäßig ihre Umlaufbahn wieder anheben, sonnst würde sie innerhalb weniger Jahre so stark abgebremst werden, dass sie auf die Erde stürzen würde. In ca. 500 km bis 600 km schließt sich die Exosphäre an (griech. exo: außen / außerhalb), die die äußerste Schicht der Erdatmosphäre darstellt, sie ist der fließende Übergang zum interplanetaren Raum.

Belastung der Luft

Die Zusammensetzung der Luft wird durch die Abgabe von Gasen an die Atmosphäre beeinflusst. So wird durch die Fotosynthese Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre entzogen, aber durch Atmung der Organismen und deren Zersetzung wieder freigesetzt. Idealerweise sollte ein Gleichgewicht zwischen diesen Prozessen herrschen und damit die Konzentration konstant bleiben. Da aber die Prozesse jahreszeitlich mit unterschiedlicher Intensität verlaufen, verringert sich die Konzentration im Frühling und Sommer etwas und steigt dann im Herbst/Winter wieder.

Dieses  Gleichgewicht wird aber vom Menschen gestört, indem durch Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas zusätzlich Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre eingetragen wird.

Kohlenstoffdioxid ist ein bedeutendes Treibhausgas und seine erhöhte Konzentration ist in großem Maße für den anthropogen Treibhauseffekt mitverantwortlich. Durch die erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentration ind der Luft, löst sich auch mehr CO${}_2$ in dern Ozeanen. Da Kohlenstoffdioxid mit Wasser in geringem Anteil Kohlensäure bildet, werden die Ozeane dadurch saurer. Dies führt zu Störungen der empfindlichern Gleichgewichte in den Ökosystemen der Meere (Tiere, Pflanzen, Mikroorganismen), deren vielfältige Auswirkungen nicht abgeschätzt werden können. Auch naturfremde Gase wie FCKWs (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) werden durch den Menschen in die Atmosphäre eingetragen. Diese werden in der Troposphäre nicht abgebaut sondern gelangen in die Stratosphäre, dort werden sie durch das UV-Licht in Radikale gespalten, die ihrerseits zu einer Zersetzung der schützenden Ozonschicht beitragen, so dass mehr harte UV-Strahlung auf die Erde gelangen kann. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden auch Schwefeloxide und Stickstoffoxide gebildet, die in die Atmosphäre gelangen. Mit der Feuchtigkeit der Luft bilden diese Gase Säuren und sind so Verursacher des sauren Regens, sie werden auch als saure Gase betzeichnet. Zu den Themen Ozonloch, Treibhauseffekt, Smog, Feinstaub und saurer Regen finden sich weiterführende Artikel in diesem Lexikon.