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Der Luftdruck in der Atmosphäre
Der Luftdruck ist wie der hydrostatische Druck ein Schweredruck. Der Schwerdruck ist eine skalare physikalische Grösse (eine Zahlenangabe mit Einheit), welche von einer vektoriellen Grösse, der Schwerkraft, und einer gedrückten Fläche bestimmt. Bei Vektoren spielt neben dem absoluten Zahlenwert auch die Richtung der Wirkung einer physikalische Grösse eine Rolle.
Der Luftdruck auf einer bestimmten Höhe in der Atmosphäre gibt an, mit welcher Gewichtskraft eine Luftsäule auf eine darunter liegende normierte Fläche drückt.
Obwohl Luft eine geringe Dichte (spez. Masse) aufweist und daher als "leicht" gilt, lastet eine riesige Menge Luft auf uns. Der Druck (wir sprechen hier vom Atmosphärendruck oder vom Luftdruck) , welcher von der über uns stehenden Luftsäule der Atmosphäre erzeugt wird, ist beträchtlich.
Ähnlich einer Wassersäule drückt auch die Gewichtskraft einer senkrecht in die Atmosphäre ragenden Luftsäule auf den Erdboden. Die Gewichtskraft ist eine Schwerkraft oder Gravitationskraft und daher eine Folge der Massenanziehungskraft der Erde.
Über dem Erdboden drückt der Luftdruck auf die Trommelfelle in den Ohren der Menschen. Unter der Wasseroberfläche eines stehenden Gewässers drückt der hydrostatische Druck auf die Ohren. In beiden Fällen müssen die Menschen bei zu grossen Druckunterschieden zwischen dem Körperinnern und seiner Umgebung einen Druckausgleich veranlassen.
Der atmosphärische Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe nach einer mathematischen Formel, der barometrischen Höhenformel, ab. Das hängt mit dem immer geringer werdenden Gewicht der Luftsäule, die mit zunehmender Höhe noch darüber liegt, zusammen. Die barometrischen Höhenformel ist eine physikalische Formel, welche einen Zusammenhang zwischen dem Luftdruck p, der Höhe h und der Temperatur T in der Atmosphäre beschreibt. Die Temperatur T wird dabei als konstant betrachtet.
Den Luftdruck in einer beliebigen Höhe über dem Meeresspiegel kann man in Millibar (mbar= mb) bzw. Hektopascal (hPa) mit folgender Formel angenähert berechnen:
1'000 . 0,88h , wobei h die Höhe über Meer in km angibt.
Atmosphärendruck auf Meereshöhe:
Der Luftdruck übt beträchtliche Kräfte aus
Bei normalem Luftdruck wirkt auf Meereshöhe auf jeden Quadratzentimeter einer Bodenfläche mit etwa 10 N Kraft, welche vom Gewicht der sich über ihr auftürmenden Luftsäule erzeugt wird. Die Gewichtskraft von 1 kg Masse beträgt rund 10 N. Auf eine Bodenfläche von 100 cm2 drückt daher eine Kraft, welche vom Gewicht einer 100 kg schweren Masse erzeugt wird. 100 cm2 entspricht einer Quadratfläche von 10 Länge und 10 cm Breite. Auf 1 m2 (100 cm mal 100 cm) wirkte eine Kraft, welche der Gewichtskraft von 1 Tonne Masse entspricht.
Eine Konservendose mittlerer Grösse besitzt eine Gesamtoberfläche von rund 300 cm2. Auf diese Dose wirkt ständig eine vom Luftdruck erzeugte Kraft von ca. 10 N pro cm2. Über die gesamte Oberfläche verteilt wirkt dahereine Gesamtkraft von 3'000 N. Die Dosenoberfläche würde der Belastung, welche durch diese Krafteinwirkung hervorgerufen wird, nicht stand halten. Sie würde sich verformen. Da im Doseninnern derselbe Luftdruck herrscht wie ausserhalb, heben sich die Kräfte an der Dosenoberfläche gegenseitig in ihrer Kraftwirkung auf. Die Dose wird nicht verformt.
Mit der gleichen Begründung kann man erklären, warum alle Gegenstände und Lebewesen, welche einem gleich grossen Innen- und Aussendruck ausgesetzt sind, die Einwirkungen des Luftdrucks unbeschadet überstehen.
Wenn zwischen dem Innen- und dem Aussendruck eine Differenz besteht, treten verformende Kräfte auf. Wer mit einer gut verschlossenen, halb gefüllten Flasche eines kohlesäurehaltigen Getränks in der Talstation einer Luftseilbahn in die Kabine steigt, muss sich nicht wundern, wenn sich beim Öffnen der Flasche in der Bergstationdas Wasser tropfenweise in der Umgebung verteilt. Grund: Der Innendruck in der Flasche blieb während des Aufstiegs unverändert. Gleichzeitig nahm der Lufdruck mit zunehmender Höhe ab. In der Bergstation ist der Innendruckwesentlich höher als der Aussendruck. Der höhere Innendruck treibt die Flüssigkeit aus der Flasche. Der Inhalt fliesst so lange aus der Flasche, bis sich die beiden Drucke wieder einander angeglichen haben.
Das umgekehrte Phänomen erlebt man, wenn man mit einer angebrauchten, verschlossenen Wasserflasche von oben nach unten fährt. In der Talstation ist das Öffnen der Flasche mit mehr Kraftaufwand verbunden. Sobald die Verschlusskappe leicht offen ist, strömt gut hörbar Luft in das Flascheninnere.
Wer auf 3'000 m ü. M. eine leer getrunkenen PET-Flasche im Rucksack verstaut und unten auf 1'000 m ü.M. wieder hervorholt, kann ein eindrückliche Wirkung des Luftdruck beobachten.
Mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel nimmt der Luftdruck ab.
Ein Barometer ist ein Gerät, welches den Luftdruck an einer beliebigen Stelle messen kann. Luft, welche aufsteigt, erzeugt einen geringeren Druck. Ein Tiefdruckgebiet in ein Raum, in welchem die Luft grossräumig aufsteigt. Ein Barometer zeigt innerhalb eines Tiefdruckgebiets einen geringeren Luftdruck als ausserhalb.