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Die Eigenschaften der Luft, die Bedeutung im Bauwesen und die Rolle beim Wetter

1. Die Eigenschaften der Luft
2. Sauerstoff
3. Die Bedeutung der Luft für das Klima (Wind)

1. Bedeutung der Luft für die Bautechnologie

Luft ist kein einheitliches Gas. Die atmosphärische Luft (Gesamtmenge 5 . 1015t) enthält stets Wasserdampf (bei 25ºC maximal 3 Vol.-%, durchschnittlich 0,27 Vol.-%). Die Enthalpie der feuchten Luft hängt vom Druck und der Temperatur ab. Dichte der Luft beträgt bei 20ºC 0,1 MPa, 1,1881 kg/m3. Die Lufthülle der Erde absorbiert schädliche Strahlungen und verhindert das Auftreten extremer Temperaturen. Ein wichtiger Bestandteil ist der Sauerstoff, der für fast alle Organismen*) lebensnotwendig (Ausnahme anaerobe Bakterien) sowie für viele Prozesse in der Technik und im Bauwesen verantwortlich, wie die Abbindeprozesse, Korrosion und a. ist.

Die Luft setzt sich zusammen aus
- Stickstoff 78,09 Voll.- %, 75,51 Massen-%
- Sauerstoff 20,95 Voll.- %, 23,15 Massen-%
- Argon 0,93 Voll.- %, 1,28 Massen-%
- Kohlendioxid 0,03 Voll.-%, 0,46 Massen-%
- Neon 1,818 . 10-3 Voll.-%,
- Helium 5,24 . 10-4 Voll.-%,
- Krypton 1,14 . 10-4 Voll.-%,
- Wasserstoff 5 . 10-5 Voll.-%,
- Xenon 8,6 . 10-6 Voll.-%,
- Radon 6 . 10-18 Voll.-%

Spezifische Wärmekapazität der Luft cpG = 1,005 kJ/kgK

Luft trocken bei 0,1 MPa
Temperatur in ºC Dichte in kg/m3 Wärmeleitfähigkeit in W/mK
- 50 1,513 0,0206
0 1,2754 0,02454
20 1,1881 0,02603
40 1,1120 0,02749
100 0,9329 0,03181

2. Sauerstoff

SauerstoffSauerstoff (oxygenium) hat das Elementsymbol O mit der Ordnungszahl 8 (Periodensystem). Die Atommasse beträgt 15,9994, die Schmelztemperatur liegt bei -219ºC und die Siedetemperatur bei --183ºC. Die Wertigkeit -2.

Eigenschaft: Sauerstoff ist ein geruch-, geschmack- und farbloses Gas, in flüssiger und fester Form sieht es hellblau aus. Bei gewöhnlichen Temperaturen ist es verhältnismäßig reaktionsträge, bei höheren Temperaturen ist es sehr reaktionsfähig. Die chemischen Vereinigungen mit Sauerstoff nennt man Oxidation. Erhöhter Sauerstoffgehalt in der Luft kann zur Selbstentzündung brennbarer Stoffe und zu explosionsartigen Bränden führen. Oberflächen, die mit Sauerstoff in Kontakt kommen, müssen fettfrei sein. Eisen brennt in O2 bei Temperaturen oberhalb 200ºC.

Vorkommen: Das häufigste Element der Erdkruste 55,1 Atom-%. Sauerstoff ist ein Bestandteil der Luft mit ca. 1,1 x 1015 t. Der meiste Sauerstoff ist in Form von Wasser, Quarz, Silikaten und andere Mineralien sowie Organismen gebunden.

Verwendung: In fast allen chemischen Verbindungen. Im Bauwesen ermöglicht zum Beispiel Kohlendioxid (aus der Luft) den Abbindevorgang von Luftkalk
Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O.

*)Der Sauerstoffgehalt der Atemluft für den Menschen sollte nicht niedriger als 8 bis 9 Vol-% und nicht höher als 60 Vol-% sein. Niedrigere Werte führen zu Bewusstlosigkeit und Hirnschäden, höhere zu Zellschäden in verschiedenen Organen. [1,2]

3. Die Bedeutung der Luft für das Klima

In der gegenwärtigen Klimadiskussion werden physikalischen Eigenschaften der Luft und die sich damit auswirkende Rolle auf das Wetter nicht ausreichend berücksichtigt. Es gehört sicherlich zum elementarischen Grundwissen der dynamischen Meteorologie. Der Heißluftballon fliegt daher nach oben, da wärmere Luft leichter ist, also einen Dichteunterschied gegenüber einer weniger warmen Luft vorliegt.
"Bei 1 bar Druck und 10ºC nimmt 1 kg trockene Luft das Volumen von 812,88 l ein; bei 20ºC, 1 bar Druck hingegen 841,68 l. Der Unterschied sind 28,8 l. Der Energieinhalt des jeweiligen kg Luft beträgt 283,46 kJ (10ºC) beziehungsweise 293,53 kJ (20ºC), die um 10ºC wärmere Luft enthält also 10,07 kJ beziehungsweise 10.070 Wattsekunden (Ws) mehr als die kühlere. Wenn man unterstellt, dass Luft nicht noch leichter beweglich ist als Wasser, letzteres setzt sich bei einer Antriebskraft von 0,02 Promille des eigenen Gewichtes von selbst in Bewegung, dann müsste sich das das Volumen der zuvor 10 Grad warmen Luft um 0,02 Promille, also 0,00002 mal 812,88 l, also um 0,0163 l (= 16,3 cm³) ausdehnen, um sich von selbst durch Aufsteigen zu entfernen. 10 Grad Temperaturanstieg (von 10ºC auf 20ºC) verursachen eine Vergrößerung des Volumens um 35,4 Promille, also weit mehr als die notwendigen 0,02 Promille. Zur Ausdehnung des Volumens der Luft um 0,02 Promille reicht somit ein Temperaturanstieg um (0,02/35,4)* 10ºC = 0,0056ºC aus. Die hierfür notwendige Energiezufuhr beträgt (0,02/35,4)* 10.070 Ws = 5,7 Ws . Dies sind lediglich 3,9% der während einer Sekunde (im globalen Mittel) an der Erdoberfläche je Quadratmeter über Sonneneinstrahlung eintreffenden Energie. Für feuchte Luft liegen die Verhältnisse sehr ähnlich." [3]

Bei starken örtlichen Sonneneinstrahlungen erwärmt sich die Luft, dehnt sich dabei aus, wird leichter und steigt auf. Die Luftsäule über dem erwärmten Gebiet kann nicht höher strömen, als die Luft der Umgebung, daher strömt diese in der Höhe nach den Seiten ab.
Durch die Massenverminderung entsteht ein Gebiet mit niedrigem Luftdruck, was als Tiefdruckgebiet gezeichnet wird. Über kalten Gebieten kühlt die Luft ab, zieht sich dabei zusammen, wird schwerer und sinkt nach unten ab. Die zusätzlichen Luftmassen bewirken einen höheren Druck der Luftsäule. Das Gebiet wird als Hochdruckgebiet bezeichnet.

Diese Strömung der Luft über der Erdoberfläche erfolgt aus dem Zentrum des Hochs heraus und strömt zum Zentrum des Tiefs, da dort die warme Luft nach oben aufsteigt. Diese Luftströmung, die durch Luftdruckunterschiede verursacht wird, nennt man Wind. Diese Luftströmung findet auch am See oder an günstig gelegenen Berghängen statt, was gern durch Gleitschirme oder Segelflugzeuge und ähnliches ausgenutzt wird.

Im nachfolgenden linken Bild die Luftdruckverteilung auf der Erde und die dadurch hervorgerufenen Winde. Im rechten Bild die Windgürtel der Erde. 1 = polare Ostwindzone, 2 = Westwindzone der gemäßigten Breiten, 3 = Passatzone, 4 = innertropische Konvergenzzone [4]

Das Entstehen von Zyklonen beim Zusammentreffen warmer Luftmassen beim Einbruch polarer kalter Luftmassen ist etwas Normales. Leider baut der Mensch genau an diesen bekannten Gebieten, wo verstärkt diese natürlichen Erscheinungen auftreten, seine Besiedlung und diese werden immer größer. Trifft ein Wirbelsturm nun genau ein besiedeltes Gebiet, wo vor 100 oder 50 Jahren noch ein Feld oder Ähnliches war, so entstehen zum Teil hohe Schadenskosten, die durch den höheren Wert der Bebauung und Ausstattung verursacht werden. Man kann also eine Zunahme der Luftdruckverteilung nicht aus der Schadenshöhe verschiedener Zeitabschnitte ableiten. Die jährliche Zahl von Orkanen hat sich real über die letzten 50 Jahre nicht verändert. Die Orkan-Saison 2005, die Katrina einschloss, war außergewöhnlich, aber hatte Präzedenzfälle vor unter anderem 70 Jahren und 1821.
Die Erde, die Erdhülle und ihre Wechselwirkung zu ihrer Umgebung ist ein instabiles dynamisches System.

UN: Es gibt keinen Trend in der Zahl der tropischen Zyklone. Satellitenauswertungen scheinen intensivere tropische Zyklone seit 1970 zu zeigen, korreliert mit wärmeren Meeren. Zyklon-Daten, besonders vor 1970, sind zweifelhaft.[5]

Diese Luftbewegungen finden aber auch am Gebäude und in den Räumen statt. Diese Vorgänge werden in den Beiträgen Wärmeübergang an einer Wandoberfläche durch Konvektion und Behaglichkeit im geschlossenen Wohnraum - Luftbewegung erläutert.

Quelle:
[1] Hirschberg, Hans Günther; Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau, Springer Verlag Berlin Heidelberg 1999, S.225 f
[2] Schröder, Werner; Chemie, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 17. Aufl. 1985, S. 388
[3] Thieme, Heinz; Treibhauseffekt im Widerspruch zur Thermodynamik und zu Emissionseigenschaften von Gasen www.real-planet.eu 20.11.2006
[4] Rossmann, Walter; Grundzüge der allgemeinen physischen Geografie Lehrbuch der Klasse 9, Erdkunde, 6.Ausg. Volk und Wissen Volkseigener Verlag Berlin 1968, S. 36, 37 und 54
[5] IPCC Fourth Assessment Report 2007 Analyse und Zusammenfassung von Christopher Monckton Viscount Monckton of Brenchley Februar 2007 Washington, D.C. 202-454-5249, S. 7 www.scienceandpolicy.org


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