mini|Gaszusammensetzung der Luft in Vol.-% Als Luft bezeichnet man das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Trockene Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (rund 78,08 Vol.-%) und Sauerstoff (rund 20,95 Vol.-%). Daneben gibt es noch die Komponenten Argon (0,93 Vol.-%), Kohlenstoffdioxid (0,04 Vol.-%) und andere Gase in Spuren.
Feste und flüssige Teilchen, Aerosole genannt, sind ebenfalls Bestandteile von Luft. Wasser und Wasserdampf ist im Mittel zu 0,4 Vol.-% in der gesamten Erdatmosphäre enthalten. Diese die Luftfeuchtigkeit bestimmenden Bestandteile werden separat aufgelistet.
Zusätzlich enthält Luft auch Staub 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 als Faustregel etwa 1,25 kg/m3 – also nur 1/800 der von Wasser. Sie wird von Temperatur, Wasserdampfgehalt und Druck, der mit der Seehöhe abnimmt, beeinflusst.
Zusammensetzung + Zusammensetzung der Luft Gas Formel Anteil Volumen Masse Hauptbestandteile der trockenen Luft auf Meereshöhe Stickstoff N2 78,084 % 75,518 % Sauerstoff O2 20,942 % 23,135 % Argon Ar 0,934 % 1,288 % Zwischensumme 99,960 % 99,941 % Gehalt an Spurengasen (eine Auswahl) Kohlenstoffdioxid CO2 0,040 %World Meteorological Organization: , abgerufen am 26. November 2019bzw. 400 ppm 0,059 %bzw. 590 ppm Neon Ne 18,18 ppm 12,67 ppm Helium He 5,24 ppm 0,72 ppm Methan CH4 1,85 ppmDeutscher Wetterdienst: Wetter und Klima – Klimagase (CO2, CH4, N2O), abgerufen am 26. November 2019 0,97 ppm Krypton Kr 1,14 ppm 3,30 ppm Wasserstoff H2 ~500 ppb 36 ppb Distickstoffoxid N2O 328 ppb 480 ppb Kohlenstoffmonoxid CO 100–250 ppbDeutscher Wetterdienst: Wetter und Klima – Kohlenmonoxid (CO), abgerufen am 26. November 2019 100–250 ppb Xenon Xe 87 ppb 400 ppb Dichlordifluormethan (CFC-12) CCl2F2 520 pptBullister, 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 Unpublished Dataset.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 2200 ppt Trichlorfluormethan (CFC-11) CCl3F 234 ppt 1100 ppt Chlordifluormethan (HCFC-22) CHClF2 253 pptPingyang 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. 480 ppt Tetrachlorkohlenstoff CCl4 81 ppt 510 ppt Trichlortrifluorethan (CFC-113) C2Cl3F3 71 ppt 520 ppt 1,1-Dichlor-1-fluorethan (HCFC-141b) CCl2F-CH3 26 ppt 70 ppt 1-Chlor-1,1-difluorethan (HCFC-142b) CClF2-CH3 23 ppt 50 ppt Schwefelhexafluorid SF6 8 ppt 25 ppt Bromchlordifluormethan CBrClF2 4 pptMartin 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. 25 ppt Bromtrifluormethan CBrF3 3,4 ppt 13 ppt Gehalt an radioaktiven Stoffen Radiokohlenstoff 14C 10−13 % Radon Rn 10−19 % Gesamtmasse (trocken) 100 % 5,135 · 1015 t Wasser +0,4 % +0,013 · 1015 t Gesamtmasse (feucht) 100,4 % 5,148 · 1015 t
Die Anteile der Atmosphärengase sind keine Naturkonstanten. In der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung 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 globale Mittelwerte für die freie Troposphäre dar. Die der chemisch stabilen Komponenten sind abseits von Quellen in der gesamten Homosphäre einheitlich, also bis in eine Höhe von etwa 100 km. Bei reaktiven Spurenstoffen gibt es erhebliche Gradienten.
Trennung in die Bestandteile Tiefkalt verflüssigt kann Flüssige Luft durch fraktionierende Destillation in ihre Bestandteile zerlegt werden, dies erfolgt meist mit Hilfe des Linde-Verfahrens.
Hauptbestandteile Stickstoff Der Hauptbestandteil der Luft ist chemisch inert. Er wird durch die natürliche (biotische und abiotische) Stickstofffixierung organisch gebunden und damit für Lebewesen nutzbar. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Der entgegengesetzte chemische Prozess – die Denitrifikation verläuft rascher, so dass der Stickstoffkreislauf den Stickstoffanteil in der Atmosphäre kaum verändert.
Aus dem Stickstoff der Luft entstehen durch kosmische Strahlung geringe Mengen radioaktiver Kohlenstoff (14C), was mit der Radiokarbonmethode für archäologische Datierungen ausgenutzt wird.
Sauerstoff Der molekulare Sauerstoff der Luft ist hauptsächlich durch Photosynthese 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 wichtigste Oxidationsmittel dar, das für die biologische Atmung bzw. die chemischen Verbrennungsvorgänge benötigt wird.
Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Lebewesen zum Leben notwendig. Durch Atmung führen sie Sauerstoff ihrem Stoffwechsel zur Verbrennung (Katabolismus) zu. Pflanzen nutzen das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese und spalten dabei den Sauerstoff ab. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle für vitale Prozesse und Körpersubstanz (Anabolismus). Bei diesem organischen Prozess wird fast der gesamte Luftsauerstoff der Luft regeneriert. Der Sauerstoffkreislauf 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.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.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/
Argon Argon ist als Edelgas 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, rares Krypton dient in Spezialfällen als noch besseres Wärme-Isoliergas.)
Argon entsteht langsam durch radioaktiven Zerfall von Kalium-40, ist stabil und dichter als Luft und verbleibt daher in der Atmosphäre.
Wasserdampf Die Umgebungsluft ist nicht „trocken“, sondern enthält Wasser im gasförmigen Aggregatzustand (Wasserdampf), man spricht von Luftfeuchtigkeit. Der Wasserdampfgehalt schwankt zwischen einem zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, 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 Schichten Kondensation 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.
Spurengase 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.
Kohlenstoffdioxid
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 ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Auf der Nordhalbkugel besteht ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November. Dazu trägt auch die Heizperiode durch erhöhten Verbrauch fossiler Brennstoffe bei.
Insgesamt hat der Kohlenstoffdioxidgehalt seit Beginn der Industrialisierung um über 40 % (+0,01 % CO2) zugenommen. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursachen für die globale Erwärmung, für die ein Referenzwert im erdgeschichtlichen Klima von weniger als 100 Jahren gilt. 2013 überstieg die CO2-Konzentration an der Messstation Mauna Loa erstmals den Wert von 400 ppm.The Keeling Curve A daily record of atmospheric carbon dioxide
Edelgase Während Argon mit rund 1 % zu den Hauptbestandteilen der Luft gehört (siehe oben), zählen die weiteren Edelgase Neon, Helium und Krypton mit Volumenanteilen von jeweils > 1 ppm zu den Spurengasen (vgl. Tabelle). Noch seltener ist Xenon (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 Zerfallsreihen Radon, das sich in Kellern anreichern kann (siehe Radonbelastung) und strahlend weiterzerfällt.
Ozon
Für die Stratosphäre werden Ozonwerte oftmals nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-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 der Stickoxidchemie.
Kohlenstoffmonoxid