Luftdruck
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Bild:Standardatmosphäre 1976 90km.png Bild:Atmosphäre Dichte 600km.png Der Luftdruck eines beliebigen Ortes der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht. Er bezeichnet zudem die Gewichtskraft der Luftsäule, die über einer Fläche oder einem Körper steht.
Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck in Bezug auf Reifen, wo es für deren Innendruck (oder Reifenfülldruck) steht.
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Eigenschaften
In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich geringer als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kürzer und damit der Luftdruck am Boden niedriger. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell immer bei einer Höhenzunahme und sein Gradient wird unter der idealisierten Annahme einer homogenen Temperatur innerhalb der Erdatmosphäre durch die barometrische Höhenformel angenähert.
In der Horizontalen erfährt jeder Mensch und neben ihm auch jegliche andere Störung der Erdatmosphäre aus jeder Richtung den gleichen Druck. Dieser ist im Normalfall nicht spürbar, weil sich unser Organismus darauf eingestellt hat. Er ist jedoch Grundvoraussetzung dafür, dass sich der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit auflöst, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt (vgl. auch Siedepunkt). Der Luftdruck stellt dabei also einen Außendruck dar.
Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck auch das wichtigste Element in Wetterkarten darstellt. Für die Wettervorhersage von Bedeutung ist der Luftdruck auf einer fest definierten Höhe in der Erdatmosphäre, die so gewählt ist, dass keine Störungen des Drucks durch Gebäude oder kleinräumige Geländeformen zu erwarten sind, also ohne eine Beeinträchtigung durch Reibung des Luftstromes am Boden in der sogenannten freien Atmosphäre.
Zum Druck auf anderen Himmelskörpern unseres Sonnensystems siehe den Artikel Atmosphäre.
Einheiten
Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die auch zulässige Einheit Bar (Einheitenzeichen bar = 105 Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa, also rund 100.000 Pa beträgt, wird er meist mit der Zahl um 1.000 in Hektopascal (1013,25 hPa) oder mit gleichem Zahlenwert Millibar (mbar) angegeben. Der Luftdruck wird meist mit einem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden. Dabei ist 1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mm Hg oder Millimeter Quecksilbersäule). Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei diese alten Einheit wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck oder Atmosphäre Unterdruck nicht mehr zulässig sind.
Extremwerte und Tagesgang
Bild:Tagesgang-luftdruck.jpg Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 101.325 Pascal = 1013,25 hPa bzw. mbar oder 101,325 kPa und ist damit Teil der Normalbedingungen und auch vieler Standardbedingungen.
Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe - in Bodennähe um etwa 1 hPa (= früheres Millibar) alle 10 Meter - und kann genähert durch eine Exponentialfunktion abgeschätzt werden. Ohne Einfluss der temperatur beträgt der Druck in der Höhe H (in km) etwa p = p0.exp(H/8). Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5-6 km Meereshöhe und 10% des Bodenwertes p0 in 15-20 km über dem Meer.
Der historische globale Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869.9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifik gemessen (Taifun Tip). Für Deutschland beträgt der Niedrigstwert 948,6 hPa und wurde am 26. Februar 1989 in Osnabrück erfasst.
Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst. Der Rekordhalter für Deutschland ist Berlin mit 1057,8 hPa am 23. Januar 1907.
Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden wurde im Oktober 2005 bei Hurrikan_Wilma mit 98 hPa gemessen. Der Kerndruck fiel bis auf 882 hPa. Bei Taifun Forrest wurde im September 1983 im nordwestlichen Pazifik ein Druckabfall von 92 hPa innerhalb von 24 Stunden gemessen.
Tagesgang des Luftdrucks
Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Ein stärkerer 12-Stundeneinfluss (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stundenrhythmus (circadian von lateinisch dies der Tag) sind dabei erkennbar. Die Maxima finden sich gegen 10 und 22 Uhr, die Minima gegen 4 und 16 Uhr (Sommerzeit beachten). Die Amplituden sind breitengradabhängig. In Äquatornähe liegen die Schwankungen bei Werten bis zu 5 hPa. In den mittleren Breiten liegen die Schwankungen bei etwa 0,5 bis 1 hPa. Die Kenntnis des örtlichen Tagesgang des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens.
Eine Darstellung des Tagesgangs so wie er in Norddeutschland beobachtet werden kann, ist hier rechts zu sehen.
Extrem niederfrequente (0,2 Hz) und schwache Überlagerungen des Luftdrucks, die Bestandteil des Hintergrundrauschens sind und als Folge von Wettererscheinungen und Seegang auftreten, werden Mikrobarome genannt. Ihre Amplituden liegen unter einem Pascal.
Experimente und Luftdruckmessung
Hauptartikel: Barometer
Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dies waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.
Ein anderes Experiment, das auch zur genauen Messung verwendet werden kann, ist ein einseitig verschlossenes und mehr als zehn Meter langes Glasrohr. Es wird zu erst horizontal in ein Wassergefäß gelegt, so dass die Luft entweicht. Richtet man es auf mit der Öffnung unter Wasser und der verschlossenen Seite nach oben, so stellt sich eine maximale Höhe ein, bis zu der der Wasserspiegel sich durch den auf der umliegenden Wasseroberfläche lastenden Luftdruck empordrücken lässt. Dies sind etwa zehn Meter, bei hohem Luftdruck mehr, bei niedrigem Luftdruck weniger. Im Hohlraum ist dann beinahe ein Vakuum, das allerdings durch etwas Wasserdampf „verunreinigt“ ist. Man bezeichnet dies als ein Flüssigbarometer, wobei Evangelista Torricelli stattdessen Quecksilber nutze, das bereits nach 760 mm abreißt und kaum verdampft. Ein anderes Instrument zur Luftdruckmessung nach diesem Prinzip ist das Goethe-Barometer.
Heute werden meistens Dosen-Barometer verwendet, die eine sogenannte Vidie-Dose oder einen Stapel derartiger Dosen enthalten. Dabei handelt es sich um einen dosenartigen Hohlkörper aus dünnem Blech, welcher mit einem Zeiger verbunden ist. Steigt der Luftdruck, so wird die Dose zusammengedrückt, der Zeiger bewegt sich. Damit die Messung unabhängig von der Temperatur ist, befindet sich in der Dose ein Vakuum, da sich darin befindliche Luft bei Erwärmung ausdehnen würde. Trotzdem gibt es temperaturabhängige Messfehler. Um diese klein zu halten werden Legierungen mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.
Eine weitere Möglichkeit den Luftdruck zu erfassen bietet ein Sturmglasbarometer, welches sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.
Luftfahrt
Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind und so die Höhe des Luftfahrzeugs über den Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt wird (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein sehr niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen („Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muß für die Dauer des Fluges der örtliche Luftdruck bekannt sein. Um zu große Fehler bei der Höhenanzeige zu meiden, welche bis etwa 300 m betragen können, kompensiert der Pilot die Höhenanzeige durch Eingabe des örtlichen QNH Wertes am Höhenmesser. In größeren Höhen wird ein Druck von 1013 hPa angenommen, den alle Luftfahrzeuge als QNH eingeben müssen. So kann die Gefahr einer Kollision vermindert werden, denn große Messfehler bei der Höhenbestimmung sind so weniger wahrscheinlich.
- QFE: tatsächlicher Luftdruck am Messort
- QNH: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO Atmosphäre (15 Grad, 2 Grad Temperaturgradient / 1000 m)
- QFF: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiterer Faktoren.
Auf Flugplätzen wird meist der QNH Wert verwendet, während in der Meteorologie der QFF Wert verwendet wird um Luftdrücke an verschiedenen Orten und Ortshöhen vergleichen zu können. Die Q-Gruppen stammen noch aus der Zeit der drahtlosen Telegraphie (Morse Code).
