Luftdruck

Der Luftdruck ist der Druck der Atmosphäre auf jeden Ort der Erdoberfläche. Dieser Druck wird im Wesentlichen dadurch verursacht, dass auch die Luft ein Gewicht hat, welches auf die Erdoberfläche einwirkt. Ist der Luftdruck hoch, befindet sich viel Luft über der entsprechenden Stelle; ist er gering, befindet sich weniger Luft in der darüber liegenden Atmosphärensäule. Räumliche Unterschiede des Luftdrucks führen zu einer Kraft, welche die Luft in Bewegung setzt und damit Wind erzeugt. Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 1013,25 hPa und wird oft als Bezugswert für Eigenschaften benutzt, die druckabhängig sind.

Eigenschaften

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·10¹⁵ Tonnen und die Erdoberfläche beträgt etwa 510·10⁶ km². Da der Druck als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck unter Berücksichtigung der Schwerkraft ein globaler Überschlagswert von 1,01·10⁵ kg/(m·s²). In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich kleiner als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kleiner und damit der Luftdruck geringer. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell bei einer Höhenzunahme, weil die Menge der Luft darüber immer geringer wird. Spürbar ist für Menschen immer nur die Differenz zwischen Körperinnen- und Außendruck, die im Gleichgewicht gleich groß sind. Differenzen ergeben sich nur bei verhältnismäßig schnellen Druckänderungen, z.B. der Fahrt mit einer Seilbahn auf einen Berg. Besonders empfindlich auf Druckunterschiede ist dabei das Ohr. Der Umgebungsdruck ist Grundvoraussetzung dafür, dass der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit austrocknet, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt.

Einheiten

Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa, also rund 100.000 Pa beträgt, wird er meistens mit dem Faktor 100 in Hektopascal, also 1013,25 hPa, angegeben. Der Luftdruck wird meistens mit einem Barometer gemessen.

Tagesgang

Tagesgang des Luftdrucks über Norddeutschland

Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Er folgt dabei den Schwankungen der Lufttemperatur, wodurch sich ein stärkerer 12-Stunden-Rhythmusund ein schwächerer 24-Stunden-Rhythmus zeigen. 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 Tagesganges des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt zu beobachten ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird. Nur bei hinreichend genauer Messapparatur und stabilen Hochdruckwetterlagen ist es möglich, diese Schwankungen ungestört zu beobachten.

Eine Darstellung des Tagesgangs, so wie er in Norddeutschland aufgezeichnet wurde, 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.

Jahresgang

Der Jahresgang des Luftdrucks, basierend auf entweder Tages- oder Monatsmitteln als langjährige Durchschnittswerte, zeigt eine geringe, aber auch vergleichsweise komplexe Schwankung zwischen den einzelnen Monaten. Dabei zeigt sich ein Minimum im April, verantwortlich für den Begriff des Aprilwetters, und vergleichsweise hohe Werte für Mai und September (Altweibersommer).

Luftdruck-Rekorde

Der historische globale Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869,9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifischer Ozean gemessen.

Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 hPa in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst.

Der höchste Luftdruck in Deutschland wurde mit 1060,6 hPa am 23. Januar 1907 in Putbus auf der Insel Rügen gemessen, der niedrigste mit 954,9 hPa am 27. November 1983 in Emden.

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.

Experimente und Messung

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dieses 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. Dieses 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 dieses als ein Flüssigbarometer, wobei Evangelista Torricelli stattdessen Quecksilber nutzte, 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, der 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, das sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.

Bedeutung in der Meteorologie

Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck in Form von Isobaren 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. Eine Messung, die sich auf die Höhe der Erdoberfläche über Normalnull bezieht (sogenannter absoluter Luftdruck), würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks wiedergeben.

Für das Wettergeschehen in Bodennähe sind vor allem die dortigen Unterschiede des Luftdrucks von Interesse. Sie führen zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Zwischen ihnen setzt der Wind als Ausgleichsströmung ein.

Wenn man das Verhalten einzelner Stoffe in der Luft wie z. B. Wasser und CO₂ beschreibt, benutzt man oft das Konzept des Partialdrucks. Der Partialdruck ist der fiktive Druck, der durch den jeweiligen Stoff alleine hervorgerufen wird. Man erhält ihn einfach dadurch, dass man den Luftdruck mit dem Mengenanteil des Stoffs (nicht dem Massenanteil) multipliziert. Diesen Zusammenhang nennt man Daltonsches Gesetz. Für Sauerstoff wäre der Partialdruck z. B. der Luftdruck mal 0,21, für Stickstoff mal 0,78. Dieses Konzept erscheint zunächst verwirrend, da ja das Gewicht eines Gasgemischs den Druck bestimmt und nicht die Anzahl der Moleküle. Da aber alle Molekülarten aufeinander einwirken, wird der Partialdruck eines bestimmten Stoffs auch durch die Anwesenheit aller anderen Stoffe bestimmt. Auch durch ihr Gewicht wird dieser Stoff schließlich unter Druck versetzt. Von diesem Druck gibt er genau den Teil zurück, der seinem Volumenanteil entspricht. Da der Druck dem Impulsübertrag entspricht, den die Moleküle bei ihren ständigen Stößen aufgrund ihrer Bewegung hervorrufen, kommt es dabei nicht auf die Masse selbst an. Massereiche Teilchen bewegen sich nur langsamer als Teilchen mit geringer Masse.

Weblinks

• GFS-Meteogramm zeigt u.a. den zeitlichen Verlauf des Bodendrucks
• Klimedia (Kapitel 3): Statik und Thermodynamik der Atmosphäre (Klimedia ist ein interaktives Lernmittel der Gruppe KLIMET der Universität Bern.)

Lizenzhinweis

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Luftdruck aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Kontakt: Dieter Kasang