luft

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Gassammensætning
af luften i volumenprocent

Luft er navnet på gasblandingen i jordens atmosfære . Tør luft består hovedsageligt af de to gasser nitrogen (ca. 78,08 vol % ) og oxygen (ca. 20,95 vol %). Der er også komponenterne argon (0,93 vol%), kuldioxid (0,04 vol%) og spor af andre gasser.

Faste og flydende partikler, kaldet aerosoler , er også komponenter i luft. Den gennemsnitlige mængde vand og vanddamp i hele jordens atmosfære er 0,4 volumenprocent. Disse komponenter er angivet separat.

Derudover luft indeholder også støv og biologiske partikler (fx pollen , svampe og bregne sporer ). I sin naturlige tilstand er den lugtfri og usmagelig for mennesker.

Som tommelfingerregel er luftens tæthed ved havets overflade omkring 1,25 kg / m 3 - altså kun 1/800 vandets - og påvirkes væsentligt af temperatur, vanddampindhold og tryk, som falder med højden. I trykluftcylindre med et tryk på typisk 5 til 300 bar (0,5 til 30 megapascal) har luft ved 27 ° C omkring 5 til 270 gange luftens tæthed ved 1 bar (omtrent atmosfærisk tryk ved havets overflade). [1]

Rayleigh spredning i atmosfæren fører til blå himmel og gul til rød sol

Lysspredning

Gasmolekylerne (nitrogen, ilt osv.), Der forekommer i luft, spreder det indfaldende sollys i forskellige grader, afhængigt af dets bølgelængde ( Rayleigh -spredning ). Det korte bølge blå lys er stærkest spredt. Denne proces giver luften sin typisk naturlige blå farve , et delvist polariseret mønster . Hvis lysets vej gennem luften er længere, skifter spredningen til en rødlig nuance. Dette afhænger af indfaldsvinklen for sollys. Hvis solen befinder sig på sit højdepunkt (direkte over beskueren −90 ° til jorden), passerer lyset gennem jordens atmosfære over en længde på 90 km. Under en solopgang / solnedgang er solen i horisonten (i den vandrette linje i observatørens øjne −0 ° til jorden) og krydser atmosfæren med en længde på ca. 12 gange (ca. 1075 km). Når lyset bevæger sig gennem atmosfæren, bliver den blå komponent overlejret af den røde komponent, da den blå komponent er mere og mere spredt, og den røde komponent er mindre stærkt spredt på grund af dens større bølgelængde. Denne atmosfæriske effekt kan kun observeres med en skyfri horisont om morgenen kort før solopgang og om aftenen kort efter solnedgang. Det er kendt som daggry eller aftenrød og varierer i farve fra lyserød til lilla gennem fuld rød til dyb orange.

Bortset fra fotonernes elastiske spredning kan der også observeres uelastisk spredning i atmosfæren: rotationsramanspredning fører til en omfordeling af energierne for den indkommende stråling inden for få 10 cm −1 og fører dermed til en "udfyldning" af Fraunhofer-linjerne, [2] den såkaldte Ring-effekt. [3] Med en spektral opløsning på 0,5 nm fører denne effekt til optiske tykkelser på typisk op til 2%, når det spredte himmellys fra forskellige positioner i solen sammenlignes. Denne effekt skal korrigeres i forskellige DOAS fjernmåling metoder til måling af sporgasser.

Desuden kan vibrationsraman spredning på luftmolekyler forskyde bølgetallet for de indkommende fotoner fra 1550 cm −1 (O 2 ) og 2330 cm −1 (N 2 ) og dermed placere et bølgelængdeforskydet billede af sollyset over det observerede sollys . Dens intensitet er op til 0,04% af den oprindelige intensitet. [4]

sammensætning

Luftens sammensætning
gas formel Volumenfraktion Massefraktion
Hovedkomponenter i tør luft på havets overflade
nitrogen N 2 78,084% [5] 75,518%
ilt O 2 20.942% [5] 23,135%
argon Ar 0,934% [5] 1.288%
Subtotal 99.960% 99.941%
Trace gas indhold (et udvalg)
carbondioxid CO 2 0,040% eller
400 ppm [6] [7]
0,059%
eller 590 sider / min
neon Ingen 18,18 ppm [8] 12,67 sider / min
helium Hej 5,24 ppm [8] 0,72 ppm
metan CH 4 1,85 ppm [7] 0,97 ppm
krypton Kr 1,14 ppm [8] 3,30 sider / min
brint H ~ 500 ppb [8] 36 sider
Nitrogenoxid N 2 O 328 ppb [9] 480 ppb
Carbonmonoxid CO 100–250 ppb [10] 100-250 ppb
xenon Xe 87 ppb [8] 400 ppb
Dichlordifluormethan ( CFC-12 ) CCl 2 F 2 520 ppt [9] 2200 ppt
Trichlorfluormethan ( CFC-11 ) CCl 3 F 234 ppt [9] 1100 ppt
Chlordifluormethan ( HCFC-22 ) CHClF 2 253 ppt [11] 480 ppt
Carbontetrachlorid CCl 4 81 ppt [9] 510 ppt
Trichlortrifluorethan ( CFC-113 ) C 2 Cl 3 F 3 71 ppt [9] 520 ppt
1,1-dichlor-1-fluorethan ( HCFC-141b ) CCL 2 F-CH3 26 ppt [11] 70 ppt
1-chlor-1,1-difluorethan ( HCFC-142b ) CClF 2 -CH 3 23 ppt [11] 50 ppt
Svovlhexafluorid SF 6 8 ppt [9] 25 ppt
Bromochlorodifluormethan CBrClF 2 4 ppt [12] 25 ppt
Bromotrifluormethan CBrF 3 3,4 ppt [12] 13 ppt
Radioaktivt materialeindhold
Radiocarbon 14 CO 2 10 −13 %
radon Marg 10 −19 %
Total masse (tør) 100% 5.135 · 10 15 t
vand + 0,4% +0.013 · 10 15 t
Total masse (våd) 100,4% 5.148 · 10 15 t

De atmosfæriske gassers andele er ikke naturlige konstanter . I udviklingen af ​​jordens atmosfære , som har stået på i milliarder af år, har sammensætningen ændret sig konstant og grundlæggende flere gange. Hovedkomponenterne har stort set været stabile i 350 millioner år. Den aktuelle blanding til tør luft er vist i tabellen til højre, hvorved der skelnes mellem hovedkomponenter og sporgasser. De angivne koncentrationer repræsenterer globale middelværdier for den frie troposfære De kemisk stabile komponenter er ensartede i hele homosfæren bortset fra kilder , dvs. op til en højde på omkring 100 km. Der er betydelige gradienter i tilfælde af reaktive sporstoffer.

Adskillelse i komponenterne

Flydende ved lav temperatur kan flydende luft nedbrydes i dets komponenter ved fraktioneret destillation , normalt ved hjælp af Linde -processen .

Hovedingredienser

nitrogen

Luftens hovedbestanddel er kemisk inert . Det er organisk bundet af den naturlige (biotiske og abiotiske) nitrogenfiksering og kan derfor bruges til levende væsener . Teknisk bruges kvælstoffet i luften til fremstilling af gødning via Haber-Bosch-processen . Den modsatte kemiske proces - denitrifikation sker hurtigere, så nitrogencyklussen næppe ændrer nitrogenindholdet i atmosfæren.

Kosmisk stråling producerer små mængder radioaktivt kul ( 14 C) fra nitrogenet i luften, som bruges til arkæologisk datering med radiocarbonmetoden .

ilt

Det molekylære ilt i luften blev hovedsageligt dannet af vand ved fotosyntese , mængden produceret i løbet af jordens historie var omkring tyve gange den mængde, der findes i atmosfæren i dag. Det giver atmosfæren dens oxiderende karakter og er det vigtigste oxidationsmiddel, der kræves til biologisk åndedræt og kemiske forbrændingsprocesser .

Oxygenet i luften er nødvendigt for, at alle aerobe organismer kan leve. Ved at trække vejret fodrer de ilt til deres stofskifte til forbrænding ( katabolisme ). Planter bruger kuldioxid i luften til fotosyntese og adskiller ilt i processen. For næsten alle planter er dette den eneste kilde til kulstof til vitale processer og kropssubstans ( anabolisme ). I denne organiske proces regenereres næsten alt ilt i luften. Iltcyklussen muliggør vedligeholdelse og distribution af en permanent forsyning af ressourcer til aerober og fotosyntetisk aktive planter.

Det nuværende globale atmosfæriske iltindhold forbliver bemærkelsesværdigt konstant på et niveau på 20,946 ± 0,006 vol.%, Med et lille fald på 0,0004 vol.% / År (4 ppmv / a), hvilket er modkorreleret med kuldioxid fra fossile brændstoffer og forbrænding af biomasse. [13] [14]

argon

Som ædelgas er argon ekstremt inert og relativt almindelig med et indhold på næsten 1%. Det er billigt og bruges som en inert gas, for eksempel til metalsvejsning og til påfyldning af glødelamper. Der og som fyld af multi- termoglasruden , den noget lavere varmeledningsevne sammenlignet med anvendes luft. (I særlige tilfælde bruges dyr, sjælden krypton som en endnu bedre varmeisolerende gas.)

Argon dannes langsomt gennem det radioaktive henfald af kalium -40, er stabilt og tættere end luft og forbliver derfor i atmosfæren.

Damp

Den omgivende luft er ikke "tør", men indeholder vand i den gasformige aggregationstilstand ( vanddamp ), som omtales som luftfugtighed . Vanddampindholdet svinger mellem en tiende volumenprocent ved polerne og tre volumenprocent i troperne , med et gennemsnit på 1,3 volumenprocent nær jorden. Da andelen af ​​vanddamp reducerer luftens densitet (62,5% af densiteten af ​​"tør" luft), presses mere fugtig luft opad, hvor kondens derefter opstår i køligere lag, dvs. vanddampindholdet i gasblandingen falder . Vanddampindholdet er meget lavt over kondenslagene, så der i gennemsnit kun er 0,4% vanddamp i luften i gennemsnit over hele atmosfæren.

Spor gasser

Større udsving over et par år og årtier kan også registreres for sporgasser. Deres lave koncentrationer kan påvirkes af forholdsvis lave emissioner. Vulkanudbrud har også ofte en kortsigtet indvirkning.

carbondioxid

Med hensyn til dets andel er kuldioxid en sporgas, men - under hensyntagen til vanddamp - er det den femte mest almindelige atmosfæriske gas. På grund af dets betydning for klimaet og de levende væsener regnes det ofte blandt luftens hovedkomponenter.

Den vigtigste biologiske betydning af kuldioxid (i daglig tale ofte kaldet kuldioxid) ligger i dens rolle som kilde til kulstof til fotosyntese. Den atmosfæriske kuldioxidkoncentration har en stærk effekt på plantevæksten. På grund af planternes lysafhængige metaboliske cyklus, dvs. sammenhængen mellem respiration og fotosyntese, svinger CO 2 -koncentrationerne tæt på jorden i løbet af dagen. Hvis der er tilstrækkelig plantedækning, er der et natmaksimum og følgelig et minimum i løbet af dagen. Den samme effekt er til stede i løbet af året, da den ekstratropiske vegetation har markante vegetationsperioder . På den nordlige halvkugle er der et maksimum i marts til april og et minimum i oktober eller november. Varmesæsonen bidrager også til dette gennem øget forbrug af fossile brændstoffer.

Samlet set er kuldioxidindholdet steget med over 40% siden begyndelsen af industrialiseringen . I forbindelse med den menneskeskabte drivhuseffekt er dette en af ​​årsagerne til global opvarmning , for hvilken en referenceværdi i det geologiske klima på mindre end 100 år gælder. I 2013 oversteg CO 2 -koncentrationen på Mauna Loa -målestationen for første gang 400 ppm. [15]

Ædle gasser

Mens argon med omkring 1%er en af ​​luftens hovedbestanddele (se ovenfor), tilhører de andre ædelgasser neon , helium og krypton med volumenforhold på> 1 ppm hver for sporgasserne (se tabel). Xenon er endnu sjældnere (volumenfraktion <0,1 ppm). Radon er den sjældneste ædelgas i luften (middelvolumenfraktion 1:10 21 ), men - afhængigt af isotopen - kan den bestemmes godt via sin radioaktivitet.

Helium frigives med hvert radioaktivt alfa -henfald. Helium er meget lettere end luft og slipper ud i rummet. Den næst letteste ædelgasneon fordamper også der, så der kun findes spor af disse to i atmosfæren.

Radon undslipper fra nogle klipper som et led i radioaktive henfaldsserier, som kan ophobes i kældre og fortsat henfalde strålende.

ozon

For stratosfæren er ozonværdier ofte angivet i Dobson -enheder frem for fraktioner. Da værdierne også afhænger af højden ( ozonlag, ozon på jorden ) samt vejrforhold, temperatur, forurening og tidspunkt på dagen og ozon både former og henfalder hurtigt, er denne værdi meget variabel. På grund af ozons høje reaktivitet spiller det en central rolle i kemiske reaktioner af forskellig art i atmosfæren. Et eksempel er ODE'erne ( ozonnedbrydningshændelser ), hvor der regelmæssigt kan observeres skarpe fald i ozonkoncentrationen fra normalt 20–40 ppb til <5 ppb i løbet af polarfjederen. Disse fænomener skyldes f.eks. Frigivelse af halogener gennem naturlige processer eller ved blanding af luftmasser. Typiske ozonkoncentrationer i tempererede breddegrader og befolkede områder er 30-60 ppb på den nordlige halvkugle og har en tendens til at være omkring 10 ppb mindre på den sydlige halvkugle på grund af den rolle, ozon spiller i nitrogenoxidkemien .

Carbonmonoxid

Kulilte (ofte i daglig tale kaldet kulilte) er en usynlig, brandfarlig, giftig gas , der dannes, når stoffer, der indeholder kulstof, ikke brændes fuldstændigt. Det blokerer transporten af ​​ilt i blodet ( kulilteforgiftning ) og kan selv i små doser føre til døden. Det skader også fotosyntesen af planter . Det danner z. B. i tobaksrygning og i forbrændingsmotoren . Bil- og flyudstødning uden udstødning efterbehandling med en køretøjskatalysator kan indeholde op til 4% CO, standardværdien for tobaksrøg . Vegetationsbrande er den vigtigste kilde til kulilte med omkring 60% af emissionerne på verdensplan.

Andre sporgasser (udvalg)

Fysiske mængder af luften

Temperaturafhængighed
temperatur
[° C]
Lyd-
fart
[Frk]
Lyd-
karakteristisk impedans
[N · s / m 3 ]
Lufttæthed
[kg / m 3 ]
−10 325,4 436,6 1.341
0 -5 328,5 432,5 1.317
0− 0 331,5 428,5 1.293
0 +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

Gennemsnitlig molekylvægt

Den gennemsnitlige molmasse er summen af ​​produkterne af molmasserne og molforholdene af bestanddelene, hovedsageligt oxygen, nitrogen og argon. For tør luft er den nøjagtige værdi 28.949 g / mol . [8] Hvis luften stadig indeholder fugt, er den gennemsnitlige molmasse lavere, fordi molmassen af vanddamp kun er ca. 18 g / mol.

Lufttæthed

Under normale forhold er lufttætheden lig med 1,293 kg / m 3 . [16]

Lufttryk

Vægten af luftsøjlen skaber et statisk tryk. Ifølge den barometriske højdeformel afhænger dette tryk af højden over havets overflade . Desuden afhænger lufttrykket af vejret. Vind og ændringer i vejret forårsager generelt udsving i lufttrykket. Et barometer til måling af lufttryk er derfor en del af vejrstationernes grundudstyr. Over en kvadratmeter gulvareal er luftmassen omkring 10.000 kg, svarende til lufttrykket.

Lufttemperatur

Lufttemperaturen er temperaturen i luften tæt på jorden, som hverken påvirkes af solstråling eller af jordvarme eller varmeledning . Den nøjagtige definition inden for videnskab og teknologi er anderledes. I meteorologi måles lufttemperaturen i to meters højde, hvilket ofte udføres af vejrhuse malet hvide i det fri.

fugtighed

Fugtigheden er andelen af ​​vanddamp i luften. Det specificeres ved hjælp af forskellige fugtighedsmålinger såsom damptryk og dugpunkt samt relativ, absolut og specifik luftfugtighed.

Andre værdier

Under normale forhold er lydhastigheden i luft 331,5 m / s.

Brydningsindekset luften under normale synlige lysforhold er cirka 1.00029. Værdien afhænger af tryk, temperatur og sammensætning af luften, men frem for alt af luftfugtigheden. fordi er nogenlunde proportional med lufttrykket, kan brydningsindekset bestemmes med et Michelson -interferometer , hvis ene arm strækker sig gennem et område med variabelt lufttryk. Brydningsindekset bestemmes ud fra den resulterende forskel på optisk sti -længde med en kendt trykforskel.

Specifik varmekapacitet under normale forhold:

( isobarisk tilstandsændring )
( isokorisk tilstandsændring )

Den termiske ledningsevne luft er under normale forhold .

Luftforurening og luftforureningskontrol

Luftforurening er den luftrelaterede komponent i miljøforurening . Ifølge Federal Immission Control Act er luftforurening en ændring i luftens naturlige sammensætning, især på grund af røg , sod , støv , aerosoler , dampe eller lugtende stoffer . Øgede ozonværdier er vigtige for smog- og svovldioxidkoncentrationer ved sur regn , men også koncentrationer af nitrogenoxider og flygtige organiske forbindelser , som igen har stor indflydelse på luftens kemi.

I de fleste industrialiserede lande er lokal luftforurening faldet kraftigt i de seneste årtier på grund af lovkrav til kontrol af luftforurening . Samtidig er emissionen af drivhusgasser som kuldioxid fortsat stigende. Lokal og regional luftforurening er stadig et væsentligt problem for tredjelandes lande og vækstøkonomier som f.eks. Kina .

Virkningerne af sporgasser er mangfoldige og påvirker også i høj grad hinanden. På grund af sin rolle i hydroxylradikalkemien i luftlag tæt på jorden spiller ozon ikke kun rollen som et forurenende stof og drivhusgas, det er afgørende for selvrensende mekanismer i atmosfæren som helhed. [17]

En særlig stor mængde mikroplast blev fundet i luften i London . [18] Pesticider kan også påvises i luften og blæses over lange afstande. [19]

Kulturel betydning

De græske naturfilosofer betragtede luft som et af de fire grundlæggende elementer, der udgør alt væsen. Oktaedronen blev tildelt elementluften som et af de fem platoniske faste stoffer . Den centrale centrale bælte -asteroide (369) Aëria er opkaldt efter luft. [20]

litteratur

Weblinks

Wikiquote: Luft - Citater
Wiktionary: Luft - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ^ Kompressibilitet af luft som en rigtig gas: Perrys kemiske ingeniørhåndbog , 6. udgave, McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-049479-7 , s. 3-162.
  2. M. Vountas, VV Rozanovs, JP Burrows: Ring virkning: Virkningen af roterende Raman-spredning på radiative overførsel i jordens atmosfære. I: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 60.6, 1998, s. 943-961.
  3. ^ JF Grainger, J. Ring: Anomaløse Fraunhofer -linjeprofiler. I: Naturen. 193, 1962, s. 762.
  4. ^ Derek Albert Long: Raman -spektroskopi. McGraw-Hill, New York 1977, ISBN 0-07-038675-7 .
  5. ^ A b c Elizabeth Kay Berner, Robert A. Berner: Global Environment Water, Air og Geochemical Cycles . Princeton University Press, 2012, ISBN 978-0-691-13678-3 , s.   25 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  6. Verdens meteorologiske organisation: Drivhusgaskoncentrationer i atmosfæren når endnu en høj | World Meteorological Organization , åbnet 26. november 2019
  7. a b Tysk vejrtjeneste: Vejr og klima - drivhusgasser (CO2, CH4, N2O) , adgang den 26. november 2019
  8. a b c d e f Detlev Möller: Luft: kemi, fysik, biologi, renlighed, jura. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 3-11-016431-0 , s. 173 (forhåndsvisning på Google Books) (åbnet 27. marts 2012).
  9. a b c d e f Bullister, JL (2017). Atmosfæriske historier (1765-2015) for CFC-11, CFC-12, CFC-113, CCl4, SF6 og N2O (NCEI-tiltrædelse 0164584). NOAA nationale centre for miljøinformation. Ikke -offentliggjort datasæt. doi: 10.3334 / CDIAC / otg.CFC_ATM_Hist_2015., åbnet den 26. november 2019
  10. German Weather Service: Weather and Climate - Carbon Monoxide (CO) , åbnet den 26. november 2019
  11. a b c Pingyang Li, Jens Mühle et al.: Atmosfæriske historier, vækstrater og opløseligheder i havvand og andre naturlige farvande i de potentielle forbigående sporstoffer HCFC-22, HCFC-141b, HCFC-142b, HFC-134a, HFC-125 , HFC -23, PFC-14 og PFC-116. I: Ocean Science. 15, 2019, s. 33, doi : 10.5194 / os-15-33-2019 .
  12. a b Martin K. Vollmer, Jens Mühle et al.: Atmosfæriske historier og globale emissioner af haloner H-1211 (CBrClF), H-1301 (CBrF) og H-2402 (CBrF CBrF). I: Journal of Geophysical Research: Atmosfærer. 121, 2016, s. 3663, doi : 10.1002 / 2015JD024488 .
  13. Jianping Huang, Jiping Huang et al .: Det globale iltbudget og dets fremtidige fremskrivning. I: Science Bulletin. 63, 2018, s. 1180, doi : 10.1016 / j.scib.2018.07.023 .
  14. Duursma Ek, Boisson Mprm (1994). Global oceanisk og atmosfærisk iltstabilitet overvejet i forhold til kulstofcyklussen og til forskellige tidsskalaer. Oceanologica Acta, 17 (2), 117-141. Open Access -version: https://archimer.ifremer.fr/doc/00099/21024/
  15. ^ The Keeling Curve En daglig registrering af atmosfærisk kuldioxid
  16. Stöcker 2007, s. 714.
  17. ^ John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis: Atmosfærisk kemi og fysik: fra luftforurening til klimaændringer. John Wiley & Sons, 2012.
  18. ^ Damian Carrington: Afsløret: Mikroplastforurening regner ned over byboerne. I: theguardian.com . 27. december 2019, adgang til 28. december 2019 .
  19. Tina Berg: Pesticider: Fare i luften. I: observatør.ch . 27. marts 2019, adgang 13. april 2019 .
  20. ^ Lutz D. Schmadel : Ordbog over mindre planetnavne . Femte reviderede og forstørrede udgave. Red .: Lutz D. Schmadel. 5. udgave. Springer Verlag , Berlin , Heidelberg 2003, ISBN 978-3-540-29925-7 , s.   186 (engelsk, 992 s., Link.springer.com [ONLINE; åbnet 24. oktober 2019] Originaltitel: Dictionary of Minor Planet Names . Første udgave: Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1992): “Opdaget 1893 4. juli af A . Borrelly ved Marseille. "