Atmosphärendruck

Der atmosphärische Druck , auch Luftdruck oder barometrischer Druck (nach dem Barometer ) genannt , ist der Druck innerhalb der Erdatmosphäre . Die Standardatmosphäre (Symbol: atm) ist eine Druckeinheit, definiert als 101,325  kPa (1013,25  hPa ), was 1013,25 Millibar , 760 Torr (oder etwa 760 mmHg ), etwa 29,9212 inHg oder etwa 14,696 psi entspricht . ^{[ 1 ]} Die Einheit atm entspricht in etwa dem mittleren atmosphärischen Druck auf Meereshöhe ; das heißt, der atmosphärische Druck auf der Erde auf Meereshöhe beträgt ungefähr ein atm.     

Unter den meisten Umständen entspricht der Luftdruck annähernd dem hydrostatischen Druck, der durch das Gewicht der darüber liegenden Luft entsteht . Mit zunehmender Höhe nimmt die darüber liegende atmosphärische Masse ab, wodurch der Luftdruck sinkt. Da die Atmosphäre im Verhältnis zum Erdradius dünn ist – insbesondere die dichte Atmosphärenschicht in niedrigen Höhen –, kann die Erdbeschleunigung als Funktion der Höhe näherungsweise als konstant angenommen werden und trägt nur geringfügig zu diesem Druckabfall bei. Druck misst die Kraft pro Flächeneinheit und wird in Pascal ( 1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter , 1  N/m² ⁾ gemessen. Eine Luftsäule mit einer Querschnittsfläche von 1 Quadratzentimeter ( cm² ⁾ , gemessen vom mittleren Meeresspiegel bis zum oberen Rand der Erdatmosphäre, hat im Durchschnitt eine Masse von etwa 1,03 Kilogramm und übt eine Kraft bzw. ein Gewicht von etwa 10,1 Newton aus , was einem Druck von 10,1 N/cm² bzw. 101 kN/m² (101 Kilopascal, kPa) entspricht ^. Eine Luftsäule mit ^einer Querschnittsfläche von 1 Quadratzentimeter ( in² ⁾ hätte ein Gewicht von etwa 14,7 lbf (Pfund pro Pfund ) und einen Druck von 14,7 lbf/ ^in² .     

Der Atmosphärendruck entsteht durch die Gravitationskraft des Planeten auf die darüber liegenden atmosphärischen Gase und ist eine Funktion der Planetenmasse, des Oberflächenradius sowie der Menge und Zusammensetzung der Gase und ihrer vertikalen Verteilung in der Atmosphäre. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Er wird durch die Planetenrotation und lokale Einflüsse wie Windgeschwindigkeit, temperaturabhängige Dichteschwankungen und Zusammensetzungsänderungen beeinflusst. ^{[ 4 ]}

Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe (MSLP) ist der Luftdruck auf mittlerer Meereshöhe . Dieser Luftdruck wird üblicherweise in Wetterberichten von Meteorologen im Radio, Fernsehen, in Zeitungen oder im Internet angegeben . ^{[ 5 ]}

Die Höhenmessereinstellung in der Luftfahrt ist eine Anpassung des Luftdrucks.

Der durchschnittliche Luftdruck auf Meereshöhe beträgt 1013,25 hPa (29,921 inHg; 760,00 mmHg). In Luftfahrtwetterberichten ( METAR ) wird QNH weltweit in Hektopascal oder Millibar übermittelt (1 Hektopascal = 1 Millibar). In den USA , Kanada und Japan wird die Höhenmessereinstellung in Zoll Quecksilbersäule (auf zwei Dezimalstellen gerundet) angegeben. Die USA und Kanada geben außerdem den auf Meereshöhe umgerechneten Luftdruck (SLP) in den Bemerkungen an, nicht im international übermittelten Teil des Codes, und zwar ebenfalls in Hektopascal oder Millibar. ^{[ 6 ]} In den öffentlichen Wetterberichten Kanadas wird der Luftdruck auf Meereshöhe hingegen in Kilopascal angegeben. ^{[ 7 ]} In den Bemerkungen des US-Wettercodes werden lediglich drei Ziffern übermittelt. Dezimaltrennzeichen und die ein oder zwei höchstwertigen Ziffern werden weggelassen: 1.013,2 hPa (14,695 psi) wird als 132 übertragen; 1.000 hPa (100 kPa) wird als 000 übertragen; 998,7  hPa wird als 987 übertragen usw. Ein System, das die letzten drei Ziffern überträgt, sendet denselben Code (800) für 1.080,0 hPa wie für 980,0 hPa.

Der höchste Luftdruck auf Meereshöhe der Erde herrscht in Sibirien , wo das Sibirische Hoch häufig Werte über 1050 hPa (15,2 psi; 31 inHg) erreicht, mit Rekordwerten nahe 1085 hPa (15,74 psi; 32,0 inHg). Der niedrigste messbare Luftdruck findet sich in den Zentren tropischer Wirbelstürme und Tornados mit einem Rekordtief von 870 hPa (12,6 psi; 26 inHg).

Der Oberflächendruck ist der atmosphärische Druck an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche ( Gelände und Ozeane ). Er ist direkt proportional zur Luftmasse über diesem Ort.

Aus numerischen Gründen prognostizieren Atmosphärenmodelle wie allgemeine Zirkulationsmodelle (GCMs) üblicherweise den dimensionslosen Logarithmus des Oberflächendrucks .

Der mittlere Oberflächendruck auf der Erde beträgt 985 hPa. ^{[ 8 ]} Dies steht im Gegensatz zum mittleren Meeresspiegeldruck, der durch Extrapolation des Drucks auf Meereshöhe für Orte oberhalb oder unterhalb des Meeresspiegels ermittelt wird. Der mittlere Druck auf mittlerem Meeresspiegel ( MSL ) in der Internationalen Standardatmosphäre ( ISA ) beträgt 1013,25 hPa oder 1 Atmosphäre (atm) bzw. 29,92 Zoll Quecksilbersäule.

Druck (P), Masse (m) und Erdbeschleunigung (g) hängen über die Gleichung P = F/A = (m*g)/A zusammen, wobei A die Oberfläche ist. Der Luftdruck ist somit proportional zum Gewicht der atmosphärischen Masse pro Flächeneinheit über dem jeweiligen Ort.

Der Luftdruck auf der Erde variiert mit der Höhe über dem Meeresspiegel. Daher ist der Luftdruck in Gebirgen in der Regel niedriger als auf Meereshöhe. Der Druck nimmt von der Erdoberfläche bis zum oberen Rand der Mesosphäre stetig ab . Obwohl der Druck wetterabhängig ist, hat die NASA die Bedingungen für alle Regionen der Erde über das ganze Jahr hinweg gemittelt. Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck. Der Luftdruck in einer bestimmten Höhe lässt sich berechnen. ^{[ 9 ]} Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflussen den Luftdruck ebenfalls. Der Druck ist proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zur Luftfeuchtigkeit. Beide Größen sind für eine genaue Berechnung notwendig. Die Grafik rechtsüber wurde für eine Temperatur von 15 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 0 % erstellt.

In niedrigen Höhen über dem Meeresspiegel nimmt der Druck pro 100 Meter um etwa 1,2 kPa (12 hPa) ab. Für höhere Höhen innerhalb der Troposphäre gilt folgende Gleichung (die barometrische Formel ), die den Luftdruck p mit der Höhe h (Höhe über dem mittleren Meeresspiegel) in Beziehung setzt : $${\displaystyle {\begin{aligned}p&=p_{0}\cdot \left(1+{\frac {L\cdot h}{T_{0}}}\right)^{-{\frac {g\cdot M}{R_{0}\cdot L}}}\\&=p_{0}\cdot \left(1+{\frac {g\cdot h}{c_{\text{p}}\cdot T_{0}}}\right)^{-{\frac {c_{\text{p}}\cdot M}{R_{0}}}}.\end{aligned}}}$$

Die Werte in diesen Gleichungen sind:

Der Luftdruck variiert auf der Erde stark, und Druckunterschiede sind für die Wetter- und Klimaforschung von Bedeutung . Einige Druckschwankungen verlaufen sehr regelmäßig. Eine wichtige Ursache für diese Schwankungen sind die Gezeiten . Sie sind in den Tropen am stärksten ausgeprägt und erreichen Amplituden von wenigen Hektopascal, während sie in den Polargebieten nahezu null sind. Tropische Gezeitenschwankungen des Luftdrucks bestehen hauptsächlich aus zwei überlagerten Harmonischen – einem zirkadianen (24-Stunden-)Zyklus und einem halbzirkadianen (12-Stunden-)Zyklus.

Der höchste jemals auf der Erde über 750 Metern gemessene, auf den Meeresspiegel bereinigte Luftdruck betrug 1.084,8 hPa (32,03 inHg; 1,0706 atm) und wurde am 19. Dezember 2001 in Tosontsengel, Mongolei, gemessen. ^{[ 10 ]} Der höchste jemals unter 750 Metern gemessene, auf den Meeresspiegel bereinigte Luftdruck wurde am 31. Dezember 1968 in Agata im Autonomen Kreis der Ewenken , Russland (66°53'  N, 93°28'  O, Höhe: 261 m, 856 ft) mit 1.083,8 hPa (32,005 inHg) gemessen. ^{[ 11 ]} Die Diskrepanz beruht auf einer problematischen Annahme (einem standardisierten Temperaturgradienten ) bei der Normierung von Druckmessungen in großen Höhen auf den Standard-Meeresspiegel. Mit zunehmender Höhe wird die Umrechnung immer ungenauer, und für Rekordzwecke gilt 750 m als willkürliche Grenze für eine ausreichende Genauigkeit. ^{[ 10 ]}

Das Tote Meer , der tiefste Punkt der Erde, liegt 430 Meter unter dem Meeresspiegel und weist dementsprechend einen hohen typischen Luftdruck von 1065  hPa auf. ^{[ 12 ]} Ein Rekordwert für den Luftdruck unterhalb des Meeresspiegels von 1081,8 hPa (31,95 inHg; 1,0677 atm) wurde am 21. Februar 1961 gemessen. ^{[ 13 ]}

Der niedrigste jemals gemessene atmosphärische Druck außerhalb eines Tornados betrug 870 hPa (26 inHg; 0,86 atm) und wurde am 12. Oktober 1979 während des Taifuns Tip im westlichen Pazifik erreicht. Die Messung basierte auf einer instrumentellen Beobachtung von einem Aufklärungsflugzeug aus. ^{[ 14 ]}

Eine Atmosphäre (101,325 kPa oder 14,7 psi) entspricht dem Druck, der durch das Gewicht einer Süßwassersäule von etwa 10,3 m (33,8 ft) entsteht. Ein Taucher in 10,3 m Tiefe erfährt daher einen Druck von etwa 2 Atmosphären (1 atm Luft plus 1 atm Wasser). Umgekehrt ist 10,3 m die maximale Höhe, bis zu der Wasser unter normalen atmosphärischen Bedingungen durch Absaugen angehoben werden kann .

Niedrige Drücke, wie sie beispielsweise in Erdgasleitungen vorkommen, werden manchmal in Zoll Wassersäule angegeben , üblicherweise als wc (Wassersäule) Gauge oder wg (Zoll Wassersäule) Gauge abgekürzt. Ein typisches gasbetriebenes Haushaltsgerät in den USA ist für einen maximalen Druck von 1/2 psi (3,4 kPa; 34 mbar) ausgelegt , was  ungefähr 14 wg entspricht. Ähnliche metrische Einheiten mit einer Vielzahl von Bezeichnungen und Notationen, die auf Millimetern , Zentimetern oder Metern basieren , werden heute seltener verwendet.

Reines Wasser siedet bei 100 °C (212 °F) unter Standardatmosphärendruck. Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck dem Atmosphärendruck um die Flüssigkeit herum entspricht. ^{[ 15 ]} Daher ist der Siedepunkt von Flüssigkeiten bei niedrigerem Druck niedriger und bei höherem Druck höher. Kochen in großen Höhen erfordert daher Anpassungen der Rezepte ^{[ 16 ]} oder das Kochen unter Druck . Eine grobe Abschätzung der Höhe kann durch Messung der Siedetemperatur von Wasser erfolgen; Mitte des 19. Jahrhunderts wurde diese Methode von Entdeckern angewendet. ^{[ 17 ]} Umgekehrt kann der Atmosphärendruck mithilfe einer Vakuumpumpe , wie in einem Rotationsverdampfer , gesenkt werden , wenn eine Flüssigkeit bei einer niedrigeren Temperatur verdampft werden soll, beispielsweise bei der Destillation .

Eine wichtige Anwendung des Wissens, dass der Luftdruck direkt mit der Höhe variiert, war die Bestimmung der Höhe von Hügeln und Bergen mithilfe zuverlässiger Druckmessgeräte. 1774 bestätigte Nevil Maskelyne Newtons Gravitationstheorie am und auf dem Schiehallion in Schottland und musste dafür die Höhen an den Berghängen genau messen. Dieses Ereignis ist als Schiehallion-Experiment bekannt . William Roy konnte mithilfe des Luftdrucks Maskelynes Höhenbestimmungen bestätigen; die Übereinstimmung lag innerhalb eines Meters. Diese Methode wurde und wird weiterhin für Vermessungsarbeiten und die Kartografie verwendet. ^{[ 18 ]}

• Aktuelle Karte des globalen mittleren Meeresspiegeldrucks (Archiviert am 08.02.2017 im Internet Archive) .
• Standardatmosphäre von 1976 ( NASA)
• Quellcode und Gleichungen für die Standardatmosphäre von 1976 (Archiviert am 15.07.2011 im Internet Archive) .
• Ein mathematisches Modell der US-Standardatmosphäre von 1976
• Rechner mit mehreren Einheiten und Eigenschaften für die Standardatmosphäre von 1976 (Archiviert am 22.04.2011 im Internet Archive) .
• Rechner zur Berechnung des Standardluftdrucks in einer bestimmten Höhe oder der Höhe, in der ein bestimmter Luftdruck Standard wäre. Archiviert am 26.02.2011 im Internet Archive.
• Druckberechnung anhand der Höhe und umgekehrt. Archiviert am 07.09.2021 im Internet Archive.

• Videos zu Experimenten zum Atmosphärendruck, archiviert am 04.06.2011 auf der Website HyperPhysics der Georgia State University ( Wayback Machine) – QuickTime erforderlich
• Ein Test, der zeigt, wie eine Dose zerdrückt wird, nachdem sie mit kochendem Wasser gefüllt und anschließend in eine Wanne mit eiskaltem Wasser gelegt wurde. Archiviert am 16.07.2011 im Internet Archive.