# Luft

Dies ist eine Lernressource über Luft, die sich auf die Atmosphäre der Erde bezieht. Zunächst denken wir oft an Sauerstoff als das wichtigste Gas, da wir Sauerstoff zum Atmen brauchen. Aber die Atmosphäre der Erde enthält viele andere Gase, Staub und manchmal giftige Substanzen. Darüber hinaus hat der Treibhausgasanteil in unserer Atmosphäre einen Einfluss auf das Klima. Die Lernressourcen führen in mehrfacher Hinsicht in das Thema Luft ein.

## Lernmodule

* Klima: Modellexperiment Treibhausgas
* Gesundheit: Erkrankungen der Atemweg
* Industrie: Abgasskandal
* Physik/Optik: Lichtstreuung
* Chemie: Analyse der gasförmigen Bestandteile
* Geografie/Mathematik: Lautstärke und Geruchswahrnehmung - Schall als Luftdruckunterschiede

## Luft als Gemisch von Gas und Staub

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 Bestandteile werden separat aufgelistet.
Zusätzlich enthält Luft auch Staub und biologische Teilchen (z. B. Pollen, Pilz- und Farn-Sporen). Im natürlichen Zustand ist sie trotzdem für Menschen geruch- und geschmacklos.
Die Dichte von Luft beträgt auf Meereshöhe als Faustformel nur 1/800 der von Wasser also nur 1,25 kg/m$^3$ und wird von Temperatur, Wasserdampfgehalt und mit der Seehöhe abnehmendem Druck bedeutend beeinflusst. In Druckluftflaschen mit typisch 3 bis 300 bar Überdruck hat Luft etwa die 4- bis 301-fache Dichte als unter Normaldruck.

## Physikalische Größen der Luft

Temperaturabhängigkeit :
| Temperatur [°C] | Schall- geschwindigkeit [m/s] | Schall- kennimpedanz [N·s/m$^3$] | Luftdichte [kg/m$^3$] |
| −10 | 325,4 | 436,6 | 1,341 |
| −5 | 328,5 | 432,5 | 1,317 |
| 0 | 331,5 | 428,5 | 1,293 |
| +5 | 334,5 | 424,6 | 1,270 |
| +10 | 337,5 | 420,8 | 1,247 |
| +15 | 340,5 | 417,1 | 1,225 |
| +20 | 343,4 | 413,5 | 1,204 |
| +25 | 346,3 | 410,0 | 1,184 |
| +30 | 349,2 | 406,6 | 1,164 |

### Mittlere Molmasse

Die mittlere Molmasse ergibt sich als Summe der Produkte der Molmassen und Stoffmengenanteile der Bestandteile, hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon. Für trockene Luft ist der exakte Wert 28,949 g/mol. Enthält die Luft noch Feuchtigkeit, ist die mittlere Molmasse geringer, da die Molmasse von Wasserdampf nur ca. 18 g/mol beträgt.

### Luftdichte

Unter Normbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m$^3$.

### Luftdruck

Die Gewichtskraft der Luftsäule erzeugt einen statischen Druck. Dieser Druck hängt gemäß der barometrischen Höhenformel von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Zusätzlich ist der Luftdruck vom Wetter abhängig. Wind und allgemein Änderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. Ein Barometer zur Messung des Luftdrucks gehört daher zur Grundausstattung von Wetterstationen. Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.

### Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird die Temperatur der bodennahen Luft bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition in Wissenschaft und Technik ist unterschiedlich. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür häufig weiß gestrichene Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

### Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfes an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte angegeben.

### Weitere Werte

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit in Luft gleich 331,5 m/s.
Der Brechungsindex $n$ der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Der Wert hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Weil $n-1$ ungefähr proportional zum Luftdruck ist, lässt sich der Brechungsindex mit einem Michelson-Interferometer bestimmen, dessen einer Arm durch ein Gebiet mit variablem Luftdruck reicht. Aus der entstehenden optischen Weglängendifferenz bestimmt man mit bekanntem Druckunterschied den Brechungsindex.
Spezifische Wärmekapazität unter Normalbedingungen:
    $c_{p}\,=\,1{,}005\;\mathrm {kJ} /(\mathrm {kg} \cdot {\mathrm {K} })$ (isobare Zustandsänderung)
    $c_{v}\,=\,0{,}718\;\mathrm {kJ} /(\mathrm {kg} \cdot {\mathrm {K} })$ (isochore Zustandsänderung)
Die Wärmeleitfähigkeit $\lambda$ von Luft ist unter Normalbedingungen $0{,}0261\;{\mathrm {W} }/({\mathrm {m} }\cdot {\mathrm {K} })$.

## Luftverunreinigung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverunreinigung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von Bedeutung sind erhöhte Ozonwerte für den Smog und Schwefeldioxidkonzentrationen für den sauren Regen, aber auch Konzentrationen von Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen, die ihrerseits wiederum einen großen Einfluss auf die Chemie der Luft haben.
In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung aufgrund von gesetzlichen Vorgaben zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist für Länder der Dritten Welt sowie Schwellenländer wie China noch ein erhebliches Problem.
Die Effekte von Spurengasen sind vielfältig und beeinflussen sich in großem Maße auch gegenseitig. Beispielsweise spielt Ozon durch seine Rolle in der Hydroxylradikalchemie in bodennahen Luftschichten nicht nur die Rolle eines Schadstoffs und Treibhausgases, es ist auch essentiell für die Selbstreinigungsmechanismen der Atmosphäre insgesamt.

## Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf platonischen Körper zugeordnet.