Ohne Luft wäre kein Leben auf der Erde möglich. Doch woraus besteht Luft eigentlich? Welche sind die Bestandteile, die Bakterien, Algen, Pflanzen, Tiere und Menschen auf so unterschiedliche Weise zum Überleben benötigen? Was Luft ist und warum jeder Mensch Teil eines faszinierenden Kreislaufes ist, erklären wir nachfolgend.
Mit hoher Wahrscheinlichkeit musste jeder Mensch in seiner Schullaufbahn wenigstens einmal die Zusammensetzung der Luft auswendig lernen. Vereinfacht gesagt besteht sie aus etwa 78% Stickstoff, rund 21% Sauerstoff und einem kleinen Rest diverser Spurengase. Dies ist aber längst nicht alles, was Sie über die Zusammensetzung der Luft wissen sollten.
Die Bestandteile der Luft lassen sich sowohl in Haupt- als auch in Nebenbestandteile gliedern. Zu den Hauptbestandteilen gehört neben Stickstoff und Sauerstoff auch Argon. Mit einem Anteil von 0,93% ist es zwar deutlich seltener als die beiden anderen Hauptbestandteile, gleichzeitig aber auch um ein Vielfaches häufiger vertreten als die Spurengase.
Unter dem Begriff „Spurengase“ werden sämtliche Nebenbestandteile der Luft zusammengefasst. Obwohl sie in der Summe lediglich 0,04338% der in der Luft enthaltenen Stoffe darstellen, sind sie für das Leben auf der Erde von relevanter Bedeutung. Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe dürfte ohne Frage Kohlenstoffdioxid (CO2) sein.
Sämtliche Edelgase sind als Bestandteile in der Luft zu finden. Während jedoch Argon mit einem Volumenanteil von fast einem Prozent klar zu den Hauptbestandteilen gehört, sind Krypton, Helium und Neon lediglich als Spurengase vertreten. Neon und Helium sind deutlich leichter als Luft und dadurch nur in der Atmosphäre nachweisbar.
| Bestandteile der Luft | Volumenanteil |
|---|---|
| Argon | 0,934% |
| Neon | 18,18 ppm |
| Helium | 5,24 ppm |
| Radon | 10-19% |
Unbedingt erwähnt werden muss an dieser Stelle auch das Gas Ozon (O3) , wenngleich es in unserer Umgebungsluft kaum vorkommt. Stattdessen reichert es sich in der Stratosphäre der Erde an, wo es die Ozonschicht bildet. Diese schützt alles Leben auf der Erde vor der schädlichen ultravioletten Sonnenstrahlung.
Weitere Bestandteile der Luft sind Wasserstoff mit einem Volumenanteil von 500 ppb, Distickstoffoxid (328 ppb), Kohlenstoffmonoxid (250 ppb) und Xenon (87 ppb). Die Einheiten ppm, ppb und ppt zeigen an, dass der Volumenanteil dieser Gase nur den Bruchteil eines Prozents ausmacht (87 ppb = 87 Teilchen pro Milliarde Teilchen Luft).
Einen noch geringeren Anteil an der Zusammensetzung der Luft haben die folgenden chemischen Verbindungen:
Ein essentieller Bestandteil der Luft ist der Wasserdampf. Dieser wurde bei den bisherigen Angaben zur Zusammensetzung der Luft unberücksichtigt gelassen. Aus diesem Grund beziehen sich die Volumenanteile von Sauerstoff, Stickstoff, Argon und den Spurengasen ausdrücklich auf die sogenannte „trockene Luft“. In der Umgebungsluft ist jedoch stets auch Wasserdampf anzutreffen.
Der Volumenanteil des Wasserdampfs in der Luft unterliegt erheblichen Schwankungen. Bezogen auf die gesamte Luft in der Atmosphäre der Erde liegt er im Durchschnitt dadurch nur bei 0,4 Volumenprozent. Dies ist insbesondere auf die Tatsache zurückzuführen, dass in Atmosphärenschichten oberhalb der Troposphäre kaum noch Wasserdampf vorzufinden ist.
Im Mittel beträgt der Wasserdampfgehalt in der Troposphäre - der untersten Schicht der Erdatmosphäre, auch Wetterschicht genannt - rund 1,4 Prozent. Die Tropen mit etwa 3 Prozent Wasserdampfgehalt in der Luft sowie die beiden Pole mit nur etwa 0,1 Prozent bilden die beiden Extreme.
Da der Mensch hauptsächlich Sauerstoff zum Atmen benötigt, wird oftmals vergessen, dass der Anteil des Stickstoffs (lateinisch: Nitrogenium) in der Luft mehr als viermal so hoch ist wie der des Sauerstoffs. Mit einem Volumenanteil von 78,08 Prozent ist Stickstoff gleichzeitig das am häufigsten in der Luft vertretene Element.
Das farblose Gas kommt als Bestandteil der Luft ausschließlich in Form zweiatomiger Moleküle vor und besitzt dadurch die Summenformel N2. Gasförmiger Stickstoff kann aber weder von Menschen noch von Tieren genutzt werden. Auch für das Pflanzenwachstum ist der Stickstoffanteil in der Luft nur von sekundärer Bedeutung.
Der in der Umgebungsluft enthaltene Stickstoff (N2) ist ein ungiftiges Gas, dessen Volumenanteil in der Luft nur sehr geringen Schwankungen unterliegt. Aus diesem Grund kann eine Gefährdung für die Gesundheit nur dann entstehen, wenn der Sauerstoffanteil beispielsweise in geschlossenen Räumen drastisch reduziert wird. Zum Problem können jedoch Stickoxide werden.
Bei den Stickoxiden handelt es sich um alle Oxide des Stickstoffs. Die bekanntesten Vertreter sind Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Distickstoffmonoxid (N2O). Letztere Verbindung ist vor allem unter seinem Trivialnamen „Lachgas“ bekannt. Stickoxide haben zwar auch natürliche Quellen, werden der Atmosphäre jedoch in erster Linie durch den Menschen zugeführt.
Der Ausstoß von Stickoxiden hat einen erheblichen Einfluss auf die Luftqualität und damit gleichzeitig auch auf die Lebensqualität von uns Menschen. Zahlreiche Stickoxide reizen die Atemwege, können die Lungenfunktion erheblich beeinträchtigen und lassen Sauren Regen entstehen. Seit Jahren existiert daher ein EU-Grenzwert für die Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) in der Außenluft.
Als eines der wenigen Stickoxide ist Lachgas zwar nicht giftig, in hohen Konzentrationen jedoch in anderer Weise schädlich. Denn wie einige andere Bestandteile der Luft – darunter CO2 – ist Distickstoffmonoxid ein Treibhausgas. Es trägt also aktiv zur Erderwärmung bei und weist in dieser Eigenschaft eine 298-mal höhere Wirksamkeit als Kohlenstoffdioxid auf.
Wie zuvor bereits erwähnt, ist Sauerstoff für die Zusammensetzung der Luft zwar äußerst wichtig, jedoch bei weitem nicht mit dem höchsten Volumenanteil vertreten. Dieser liegt bei ungefähr 20,94%, wobei sich diese Angabe auf trockene Luft auf Meereshöhe bezieht. Abhängig von Ort und Zeit kann es durchaus zu Abweichungen kommen.
Der Anteil am Sauerstoff in der Luft war im Laufe der letzten Milliarden Jahre weder konstant noch unterlag er einer konstanten Entwicklung. Stattdessen existieren Phasen mit einem Sauerstoffanteil von über 30 Prozent und Phasen, in er um die Hälfte zurückging. Wie aus nachfolgendem Diagramm hervorgeht, sind extreme Sprünge keine Seltenheit.
Zu beachten ist, dass viele Werte auch von Wissenschaftlern nur grob geschätzt werden können und dieses Diagramm daher keinen Anspruch auf Richtigkeit erhebt. Die Kurve stellt vielmehr den Mittelwert diverser Berechnungen dar, die zu diesem Thema durchgeführt wurden. Als Referenz zeigt die gestrichelte Linie den aktuellen Sauerstoffanteil der Luft an.
Der Anteil des Sauerstoffs an der Luft (ca. 21%) ist für Menschen absolut ungefährlich. Im Gegenteil sogar, denn ohne das Vorhandensein von O2 wäre ein Überleben auf der Erde überhaupt nicht möglich. Auch temporäre Schwankungen im Bereich von maximal 0,006 Volumenprozent haben keinerlei Einfluss auf das Wohlbefinden von Menschen.
Seit einigen Jahrzehnten kann allerdings ein Rückgang des Sauerstoffanteils in der Luft beobachtet werden. Dieser liegt bei 4 ppm/a (0,004 Volumenprozent pro Jahr). Interessant ist, dass der CO2-Gehalt in der Luft gleichzeitig etwa identisch ansteigt. Diesen Beobachtungen lassen Rückschlüsse auf die Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe auf die Luftqualität zu.
Problematisch ist derzeit jedoch nicht der rückläufige Anteil des Sauerstoffs in der Luft, sondern der steigende Anteil anderer Gase. Wie zuvor bereits beschrieben, können diese beispielsweise Reizungen und Erkrankungen der Atemwege verursachen. Für alle aeroben Lebensformen kann jedoch eine drastische Änderung des Sauerstoffgehalts schwerwiegende Folgen haben.
So kann es zu einer Lungenvergiftung und einem Anschwellen der Lungenbläschen kommen, wenn über längere Zeit Luft mit einem hohen Anteil an Sauerstoff eingeatmet wird. Reiner Sauerstoff erhöht diesen Effekt um ein Vielfaches. Zu einem solchen Fall kann es jedoch nur unter künstlich geschaffenen Bedingungen kommen, etwa beim Tauchen.
Die Bestandteile der Luft ermöglichen das Leben auf der Erde, auch Kohlenstoffdioxid (kurz: Kohlendioxid oder CO2) bilden hier keine Ausnahme. So bilden Pflanzen und Algen im Rahmen der Photosynthese Biomasse aus Wasser und CO2. Gleichzeitig ist Kohlenstoffdioxid das Produkt der Zellatmung von aeroben Lebewesen. So entsteht der globale Kohlenstoffzyklus.
Durch diesen Zyklus wird im Mittel ebenso viel CO2 in die Luft freigesetzt wie gleichzeitig in Form von Biomasse wieder gebunden wird. Dadurch müsste der Gehalt von Sauerstoff und CO2 in der Luft beständig gleichbleibend sein. Allerdings entsteht CO2, wenn bei der Verbrennung von Substanzen auf Kohlestoffbasis Sauerstoff zugeführt wird.
Daher ist seit Mitte des 18. Jahrhunderts, die den Beginn der Industrialisierung markiert, ein steigender Anteil von CO2 in der Luft zu bemerken. Insbesondere durch das Verbrennen von Öl und Kohle ist der CO2-Gehalt in den vergangenen 200 Jahren von anfänglich 280 ppm auf mittlerweile über 400 ppm.
Trotz regionaler und zeitabhängiger Schwankungen gilt der derzeitige Gehalt des CO2s in der Luft als unkritisch für die Gesundheit von Menschen und Tieren. Gerade in geschlossenen Räumen, die nur unzureichend mit Sauerstoff versorgt werden, kann ein zu hoher Anteil an CO2 in der Luft schädliche Wirkungen verursachen.
Um dies zu vermeiden, wird die Raumluft gemäß DIN EN 13779 in vier Qualitätsstufen eingeteilt:
Übersteigt der CO2-Anteil in der Luft einen Wert von etwa 5%, kommt es zunächst zu Schwindel und Kopfschmerzen. Höhere Konzentrationen führen zu einem Anstieg des Blutdrucks, einer Beschleunigung des Herzschlags, Atemnot und schlussendlich zur Bewusstlosigkeit und zum Tod. Die Symptome einer Kohlendioxidvergiftung können Sie allerdings rechtzeitig identifizieren.
Hierzu gehören neben den bereits beschriebenen Anzeichen unter anderem Schläfrigkeit, vermindertes Hörvermögen, Kurzatmigkeit, Verwirrung, Kopfschmerz, getrübte Sicht, Zittern und unkontrolliertes Schwitzen. Zu beachten ist jedoch, dass es zu einer CO2-Vergiftung in der Regel nur in unmittelbarer Nähe von natürlichen oder menschengeschaffenen Kohlendioxid-Quellen kommt.
Da Kohlendioxid ein Treibhausgas ist, steht der Anstieg des ursprünglichen CO2-Gehalts um über 40% in weniger als 200 Jahren in direktem Zusammenhang mit der globalen Erwärmung. Der menschengemachte Klimawandel gilt wissenschaftlich als allgemein anerkannt, weshalb viele Staaten der Erde seit Jahren versuchen, diesem Effekt durch Klimaschutzmaßnahmen entgegenzuwirken.
Eine Versorgung mit Kohlendioxid, die über das pflanzenspezifische Optimum hinausgeht, kann zu einer veränderten Zusammensetzung der enthaltenen Vitamine, Proteine und Mikronährstoffe führen. Vor allem die Reispflanze, die in vielen Ländern ein Grundnahrungsmittel bereitstellt, verliert dadurch bedeutend an Qualität. Dies könnte die Situation der Hungernden in Entwicklungsländern deutlich verschlechtern.
Luft ist demzufolge nicht gleich Luft. Sie kann tages- und jahreszeitabhängig sowie lokal eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Gleichzeitig kann das Fehlen oder ein übermäßiges Vorhandensein einzelner Bestandteile erhebliche Auswirkungen auf das Wohlbefinden haben. Was gibt es weiterhin über das Gasgemisch der Erdatmosphäre zu wissen, welches wir Luft nennen?
Für die Dichtebestimmung der Luft ist wichtig zu wissen, dass die Dichte durch mehrere Faktoren beeinflusst wird. Hierzu gehören unter anderem der Wasserdampfgehalt in der Luft, die Temperatur und der vorherrschende Druck. Als Richtwert wird daher stets Dichte der Luft auf Meereshöhe genannt, wo diese 1,25 kg/m³ beträgt.
Zum Vergleich: die identische Menge Wasser wiegt 1.000 kg, also das 800-fache des Gewichts der Luft. Je größer der Wasserdampfanteil in der Luft ist, desto geringer ist deren Dichte. Demzufolge steigt feuchte Luft in die oberen Schichten der Atmosphäre, wo der Wasserdampf in der deutlich kühleren Umgebung kondensiert.
Neben Gasen und Wasserdampf sind in der Luft selbstverständlich auch zahlreiche andere Stoffe nachweisbar. Grundsätzlich wird dabei jede Veränderung an der bis hierhin beschriebenen Zusammensetzung der Luft gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz als Luftverschmutzung angesehen. Insbesondere in Schwellenländern und Ländern der Dritten Welt ist dies ein ernstzunehmendes Problem.
Eine Luftverschmutzung oder Luftverunreinigung kann insbesondere durch diese Bestandteile der Luft hervorgerufen werden:
Zu beachten ist, dass Luft grundsätzlich nicht nur auf der Erde existiert. Jedoch unterscheidet sich die Luft auf der Erde in beträchtlichem Maße von der Mars-Luft oder der Jupiter-Luft. Während die Zusammensetzung der Luft auf unserem Planeten Grundlage allen Lebens ist, ist dies andernorts in unserem Sonnensystem nicht der Fall.
Auf dem Mars besteht die Atmosphäre beispielsweise zu 95,97% aus Kohlenstoffdioxid, der Anteil an Sauerstoff in dieser Luft liegt hingegen gerade einmal bei 0,146%. Jupiter hingegen besteht nahezu vollständig aus Gasen. Die Aussagen zur Zusammensetzung der Luft auf der Erde lassen sich dadurch keinesfalls auf andere Planeten übertragen.
Luft ist ein Gasgemisch, welches sich zum überwiegenden Teil aus Stickstoff (etwa 78%) und Sauerstoff (etwa 21%) in einem gleichbleibenden Verhältnis zusammensetzt. Ein weiterer Hauptbestandteil ist Argon mit ca. 0,93%. Der übrige Rest setzt sich aus Spurengasen wie Wasserstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid zusammen.
Interessant zu beobachten ist, dass insbesondere Bestandteile, die nur ein Millionstel oder gar Billionstel des Volumenanteils der Hauptbestandteile ausmachen, den größten Einfluss auf die Luftqualität haben. So kann beispielsweise ein Anstieg von Kohlenmonoxid in der Luft erhebliche Schädigungen der Lunge bei Kindern und Erwachsenen verursachen.
