Erdatmosphäre, Luftdruck

Hinweise zum Druck

Der Druck wird in Hektopascal, in bar oder in mbar (= 10-3 bar) gemessen. Dabei gilt:

1.000 mbar = 1 bar = 1.000 Hektopascal

Der mittlere Luftdruck auf der Erdoberfläche (Höhe = 0 m) beträgt rund 1.013,2 Hektopascal bzw. 1,0132 bar.
Hochdruckgebiete besitzen  im Zentrum typischerweise einen Druck von 1.025 mbar. Tiefdruckgebiete in unseren Breiten dagegen einen Druck von beispielsweise 980 mbar. In tropischen Wirbelstürmen kann der Druck dagegen sogar auf ca. 800 mbar absinken.
Die Einheit Hektopascal bzw. bar kommt wie folgt zustande:
Der Druck ist als Kraft pro Fläche definiert:

p =  F/A

mit:
p = Druck (Pressure)
F = Kraft (Force)
A = Fläche (Area)

Setzt man in die obige Gleichung für die Kraft 1 Newton und für die Fläche 1 m2 ein, so erhält man eine Einheit für den Druck, die nach dem französischen Physiker Blaise Pascal (1623-1662) benannt worden ist.

1 Pa = 1N/m²

100 Pascal sind ein Hektopascal (hPa) und 100.000 Pascal gleich 1.000 Hektopascal werden als bar bezeichnet.Zum Schluss sei noch erwähnt, dass die frühere Einheit 760 mm Hg (Hg = Quecksilber) - die allerdings in der Medizin noch häufig verwendet wird - einem Druck von 1,0132 bar bzw. 1.013,2 mbar, also dem mittleren Luftdruck in Meereshöhe entspricht.

Erdatmosphäre, Luftdruck

Die  Luftschicht (Atmosphäre) der Erde reicht - sofern man die Exosphäre dazu rechnet - etwa bis zu einer Höhe von 10.000 km,  ansonsten nur bis etwa 100 bis maximal 500 km.
Dabei ist die Luft in der Exosphäre in einer Höhe von von 3.500 km  bereits so dünn, dass sich über dem Äquator befindliche geostationäre Satelliten viele Jahre ohne Korrektur auf ihrer Höhe halten können.
Die Luftschicht der Erde wird in eine Reihe von verschiedenen Schichten unterteilt, wobei die Troposphäre und die Stratosphäre wohl die bekanntesten sind.
Der Luftdruck in einer bestimmten Höhe lässt sich bei konstanter Temperatur - was für Berechnungen für größere Höhen absolut nicht mehr stimmt,  mit der folgenden barometrischen Höhenformel berechnen bzw. abschätzen:

p = p0 ·e- h/h0

mit:
p = gesuchter Luftdruck in der Höhe h
p0= Luftdruck in Meereshöhe (h= 0) = 1.0132 bar
e = 2,71....
h = Höhe, in der der Luftdruck gesucht wird
h0= 7,99 (8 km), dieser Betrag kommt durch das Lösen einer Differentialgleichung zustande

Beispiele
1. Wie groß ist der Luftdruck in 2.000 m Höhe (Bergtouristen, Skifahrer)
2. Wie groß ist der Luftdruck in 4.000 m Höhe (etwa die Höhe des Flughafens von La Paz oder hoher Skigebiete)
3. Wie groß ist der Luftdruck in 5.500 m Höhe
4. Wie hoch ist der Luftdruck in 11 km (Interkontinentalflughöhe)

Um die  vierFragen zu beantworten setzt man in dem Teil  e- h/h der Gleichung jeweils 2 km  4 km, 5,5 km sowie  11 km ein.
Mit Hilfe eines Taschenrechners ergeben sich daraus die folgenden Werte:
1. Der Luftdruck in einer Höhe von 2.000 m = 2 km beträgt rund 789 bar
2.  Der Luftdruck in einer Höhe von 4.000 m = 4 km beträgt rund 615 bar
3. Der Luftdruck in einer Höhe von 5.500 m = 5,5 km beträgt rund 506 bar und ist damit halb so groß wie auf Meereshöhe
4. Der Luftdruck in einer Höhe von 11.000 m = 11 km beträgt 256 bar  und ist damit  nur noch rund ein Viertel so groß wie auf Meereshöhe

In der folgenden Tabelle ist der mittlere Luftdruck in Abhängigkeit von der Höhe über dem Meeresspiegel für eine ganze Reihe verschiedener Höhen dargestellt:

 

 

Höhe über Normalnull in m Luftdruck in mbar
0 1.013,2
100 1.001
500 955
1.000 899
2.000 789 (Luftdruck im Inneren von Ziviljets)
4.000 614
5.500 506 (etwa die Hälfte von 1.0132 bar)
6.000 472
7.000 411 (Beginn der so genannten Todeszone)
8.000 356
9.000 307
11.000  253 (Flughöhen bei Interkontinentalflügen)

 

 

Troposphäre

Die Troposphäre reicht von Meereshöhe bis etwa zu einer Höhe von 10 km an den Polen und bis etwa 18 km am Äquator. In Meereshöhe beträgt der mittlere Luftdruck rund 1.013 mbar bzw. 1.013 Hektopascal. Näheres siehe unter Luftdruck. In der Troposphäre spielt sich im wesentlichen unser gesamtes Wettergeschehen ab. Es sei erwähnt, dass in etwa 5.500 m Höhe nur noch der halbe Luftdruck, also ein Druck von rund 500 mbar, herrscht.
In den Skigebieten in den Alpen, also zwischen etwa 2.000 bis 3.000 m Höhe, beträgt der Luftdruck etwa 800-700 mbar.

Auf dem 8.850 m hohen Mount Everest, den Reinhold Messner und Peter Haberle am 8. Mai 1978 ohne Sauerstoffgerät bestiegen hatten, liegt der Luftdruck nur noch bei rund 330 mbar.
Interessant ist für Bergsteiger, dass auf Grund von starken Höhenwinden der Luftdruck und damit die Sauerstoffversorgung um bis zu rund 15 mbar während dieser Winde absinken kann.

 

Tropopause

Die Tropopause befindet sich zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre zwischen denen sie wie eine Art Sperrschicht wirkt. In der Troposphäre ändert sich auch der Temperuturgradien. So nimmt die Temperatur unter der Tropopause bekanntlich mit zunehmender Höhe ab und zwar bis auf ca. -50°C, während sie in der oberhalb der Tropopause gelegenen Stratosphäre zunächst konstant bleibt und dann mit zunehmender Höhe - in etwa 50 km - bis auf etwa 0°C  ansteigt. Weiterhin steigen Wolken aufgrund der vertikalen Stabilität der Stratosphäre kaum über die Tropopause hinaus. Die Tropopause bildet daher die Obergrenze für die Wolkenbildung. Lediglich bei sehr starken Konvektion können so genannte "overshooting tops" bis in die untere Stratosphäre aufsteigen.

Stratosphäre

Die Stratosphäre schließt sich an die Troposphäre bzw. Tropopause an, sie beginnt im Polarbereich bereits in rund 10 km und im Äquatorbereich erst in etwa 18 km Höhe. Die Stratosphäre reicht etwa bis zu einer Höhe von 50 km. In einer Höhe von rund 20 bis 50 km ist die Ozonkonzentration am höchsten, man bezeichnet diesen Bereich daher als Ozonschicht. Das Ozon wird in dieser Schicht aus dem Sauerstoffmolekül O2 und dem durch die einfallende UV-Strahlung daraus gebildeten reinen Sauerstoff erzeugt. Das geschieht dadurch, dass der sehr reaktionsstarke atomare Sauerstoff O sich sehr schnell mit O2 zu O3, also Ozon, verbindet.
 

Fallschirmabsprünge aus der Stratosphäre

Joseph William Kittinger
Am 16. August 1960 sprang der Angehörige der US-Airforce Joseph William Kittinger (geb. 1928) aus einem heliumgefüllten Ballon mit einer offenen Gondel mit einem Fallschirm in 31.332 m Höhe ab. Nach einem Fall von 4 Min. und 36 Sek. öffnete sich in 5.500 m Höhe sein Hauptfallschirm, an dem er nach weiteren 9 Minuten wohlbehalten den Boden erreichte.

Felix Baumgartner

Der Österreicher Felix Baumgartner (geb. 1969)  war am 14. Oktober 2012 aus einer Hönhe von 38.969 m abgesprungen und hatte beim freien Fall eine Überschallgeschwindigkeit von 1.357,6 km/h erreicht.
Er hatte sich in einer Kapsel an einem mit Helium gefüllten Ballon in die Höhe bringen lassen.
Nach dem Öffnen seines Fallschirms war er wohlbehalten gelandet.

Alan Eustace

Am 24. Oktober 2014 war der US-Amerikaner Alan Eustace (geb. 1957) aus einer Höhe von 41.419 m abgestüngen und hatte dabei eine Überschallgeschwindigkeit von 1.323 km/h erreicht. Auch er hatte sich mit Hilfe eines Heliumballons auf die Absprunghöhe bringen lassen, er benutzte dabei jedoch keine Kapsel, sondern hing in seinem Raumanzug direkt an dem Ballon.

Ionosphäre

Die Ionosphäre schließt sich an die Stratosphäre an und reicht von einer Höhe von ca. 50 km bis ca. 500 km. In dieser Schicht spielen sich zahlreiche Ionisationsprozesse ab, so entstehen hier z.B. die Polarlichter. In dieser Schicht werden z.B. Radiowellen im Kurzwellenbereich reflektiert und können somit nahezu weltweit empfangen werden. Man unterscheidet die Ionosphäre in eine D-Schicht (50-90 km), eine E-Schicht (85-140 km) und eine darüber liegende F-Schicht.
Die Ionosphäre allerdings ist der "Oberbegriff" für die Mesosphäre, die von etwa 50 km bis etwa 80 km reicht, sowie die Thermosphäre, die von etwa 80-85 km bis etwa 500 km Höhe reicht. Sie wird von der äußersten Schicht der Atmosphäre, der Exosphäre, begrenzt.

  • Mesosphäre
    Die Mesosphäre reicht etwa von 50 km bis 80-85 km Höhe.
    Der Name entstammt dem Griechischem mesos = Mitte und sphaira = Kugel.
    Auf Grund der Tatsache, dass in dieser Schicht kaum Absorptionsprozesse ablaufen, also die Energieaufnahme recht gering ist, sinkt in dieser Schicht die Temperatur bis auf etwa - 90°C.
  • Thermosphäre
    Die Thermosphäre reicht von etwa 80-85 km Höhe bis an den unteren Rand der Exosphäre, also bis etwa 500 km.
    Der Begriff entstammt dem Griechischen thermos = warm, heiß und sphaira = Kugel. In Abhängigkeit von der Sonnenaktivität kann die Temperatur in dieser Schicht bis auf +2.000°C!! ansteigen. Der Grund sind starke elektrische und magnetische Felder in dieser Schicht, die vor allem mit den Teilchen des Sonnenwinds in Wechselwirkung treten und damit vor allem im Polargebiet zu den beeindruckenden Polarlichtern führen.

Exosphäre

Die letzte Schicht der Erdatmosphäre vor dem interplanetarischen Raum ist die Exosphäre, die ab einer Höhe von ca. 500 km bis (je nach Autor) etwa 10.000 km hoch reicht. Allerdings zählen die NASA und und die Fédération Aéronautique Internationale die Exosphäre bereits zum interplanetarischen Raum.
In der Exosphäre kommt vor allem Wasserstoff vor. Die Gase in dieser Schicht kommen nahezu alle nur noch in Ionenform, also elektrisch geladen vor. Auf Grund der geringen Erdanziehung und der hohen Geschwindigkeit der Teilchen können sie das Gravitationsfeld der Erde verlassen und in den Weltraum "verschwinden".
Im  interplanetarischen Raum - nicht ganz korrekt als Weltraum bezeichnet -  herrschen dann Temperaturen etwas oberhalb des absoluten Nullpunkts ( rund -273°C) und ein Luftdruck nur wenig mehr als 0 bar.