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Luft ist das homogene Gemisch aus Gasen (Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%)) das die unteren Schichten der Atmosphäre der Erde bildet. Sie ist normalerweise farblos, unsichtbar und geruchlos.

Zusammensetzung

Die trockene Luft in Bodennähe ist ein homogenes Gasgemisch. Sie besteht ungefähr in Mol- oder Volumenbruchteilen aus (ppm: Parts per million (Faktor 10−6 ) / v: Volumen):

 

Luft enthält auch Spuren von Dihydrogen und Ozon, sowie ein winziges Vorkommen von Radon.
Sie kann auch Schwefeldioxid, Stickoxide, feine Schwebstoffe in Form von Aerosolen, Staub und Mikroorganismen enthalten.

Luftfeuchtigkeit

Die Umgebungsluft ist nicht „trocken“, sondern enthält Wasser im gasförmigen Aggregatzustand (Wasserdampf), man spricht von. Der Wasserdampfgehalt schwankt zwischen 1/10 Volumenprozent an den Polen und 3 Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 Vol.-% in Bodennähe. Da der Wasserdampfanteil die Dichte der Luft verringert (62,5 % der Dichte „trockener“ Luft), wird feuchtere Luft nach oben gedrückt, wo dann in kühleren Schichten Kondensation auftritt, also der Wasserdampfgehalt im Gasgemisch sinkt. Oberhalb der Kondensationsschichten ist der Wasserdampfgehalt sehr gering, sodass über die gesamte Atmosphäre gemittelt nur 0,4 Vol.-% Wasserdampf in der Luft sind.

In Bodennähe ist die Menge an Wasserdampf sehr unterschiedlich. Sie hängt von den klimatischen Bedingungen und insbesondere von der Temperatur ab. Der Partialdruck von Wasserdampf in der Luft wird durch seinen Sättigungsdampfdruck begrenzt, der stark mit der Temperatur schwankt.
Bei atmosphärischem Normaldruck von 1013,25 hPa kann ein Kubikmeter Luft bei 10 °C maximal 9,41 g Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 °C schon 30,38 g Wasser auf und bei 60 °C sind es schon über 100 g Wasser.

In Abhängigkeit von Temperatur und Druck kann ein gegebenes Luftvolumen nur eine gewisse Höchstmenge Wasserdampf enthalten. Die relative Luftfeuchtigkeit, die das geläufigste Maß für die Luftfeuchtigkeit ist, beträgt dann 100 %.

Die relative Feuchtigkeit lässt unmittelbar erkennen, in welchem Grade die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist:

Luftdruck

Die Gewichtskraft der Luftsäule erzeugt einen statischen Druck. Dieser Druck hängt gemäß der barometrischen Höhenformel von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Zusätzlich ist der Luftdruck vom Wetter abhängig. Wind und allgemein Änderungen des Wetters bewirken Schwankungen des Luftdrucks. Ein Barometer zur Messung des Luftdrucks gehört daher zur Grundausstattung von Wetterstationen.
Über einem Quadratmeter Bodenfläche beträgt die Luftmasse dem Luftdruck entsprechend etwa 10.000 kg.

Luftdichte

Auf Meeresspiegelhöhe hat die Luft eine Dichte von rund 1,2 kg/m³ bei 20 °C - sie ist durch die darüber lastende Luftmasse stärker zusammengedrückt als in größerer Höhe. Eine Faustregel ist, dass der Luftdruck sich pro 5.500 Meter Höhe halbiert. Flüssige Luft hat eine Dichte von 875 kg pro Kubikmeter.

Sauerstoff

Molekularer Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei 90,15 K (−183 °C) zu einer bläulichen Flüssigkeit kondensiert.
Chemisch gesehen ist Sauerstoff ein Di-Radikal (2 ungepaarte Elektronen), hat aber zum Glück das Pauli-Prinzip gelesen und verstanden, und ist daher im Vergleich zu seinen radikalen "Kollegen" wie Stickstoffmonoxid, Superoxid, etc. nur wenig reaktiv.

Sauerstoff ist in Wasser wenig löslich. Die Löslichkeit steigt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck. Bei 0 °C lösen sich aus Luft unter Normaldruck (Sauerstoffpartialdruck von 212 hPa) im Gleichgewicht 14,16 mg/l Sauerstoff.

Sauerstoff reagiert mit den meisten anderen Elementen direkt und bildet Oxide. Mit einigen Elementen, zum Beispiel Kohlenstoff und Schwefel, reagiert Sauerstoff nur bei hohen Temperaturen.
Bei der Verbrennung (exotherme Redoxreaktion) wird ein "Brennstoff" durch Sauerstoff oxidiert - der Prozess setzt sehr viel Energie frei und es entstehen i.d.R. Flammen.

Mit Stickstoff sind Reaktionen nur unter speziellen Bedingungen, etwa bei Blitzen, aber auch im Verbrennungsmotor möglich. Dabei entstehen Stickoxide.

Stickstoff

Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen (−196 °C) zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (23,2 ml Stickstoff in 1 l Wasser bei 0 °C) und nicht brennbar.

Der molekulare Distickstoff N2 ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge.

Licht

Trifft Licht auf Materie (wie z.B. auf die Gasmoleküle in Luft), so kann es gestreut, reflektiert, gebrochen (Refraktion), oder absorbiert werden.
Im Vakuum breitet sich Licht mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit von 299.792 km/s aus. In bodennaher Luft ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,28 ‰ geringer als im Vakuum (also ca. 299.710 km/s), in Wasser beträgt sie etwa 225.000 km/s (≈ 25 % geringer) und in Diamant bis hinab zu 124.000 km/s (≈ 59 % geringer).

Unter der Rayleigh-Streuung versteht man die Streuung von Licht an Teilchen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts (ca. 480nm - 780nm) sind. Sie tritt auf, wenn Licht transparente Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper durchdringt.
Die Rayleigh-Streuung entsteht durch die elektrische Polarisierbarkeit der Teilchen. Das oszillierende elektrische Feld einer Lichtwelle wirkt auf die Ladungen im Inneren eines Teilchens, so dass sie sich mit der gleichen Frequenz bewegen. Das Teilchen wird somit zu einem kleinen strahlenden Dipol, dessen Strahlung wir als Streulicht wahrnehmen.

Das Sonnenlicht erreicht die Erdatmosphäre und wird von den Gasen und Partikeln in der Luft in alle Richtungen gestreut. Blaues Licht wird stärker gestreut da es eine kürzere Wellenlänge hat. Deshalb sehen wir die meiste Zeit einen blauen Himmel.

  1. Am Tag, wenn die Sonne hoch (senkrecht) am Himmel steht, legt das Licht nur eine relativ kurze Strecke (ca. 90 km) durch die Atmosphäre zurück. Dabei wird wenig blaues Licht in andere Richtungen gestreut. der Himmel erscheint blau und die Sonne gelb. Von hochfliegenden Flugzeugen aus erscheint die Sonne „weißer“, weil noch weniger blaue Lichtanteile gestreut wurden.
  2. Bei niedrigem Sonnenstand (Sonnenaufgang/-untergang) ist die Strecke des Sonnenlichts durch die Erdatmosphäre sehr viel länger (ca. 1000 km). Dadurch wird ein Großteil der kurzwelligen Lichtanteile (blau) seitlich weggestreut, es bleibt überwiegend Licht mit langen Wellenlängen übrig und der Farbeindruck der Sonne verschiebt sich in Richtung rot. Dieser atmosphärische Effekt ist bei überwiegend wolkenlosem Horizont morgens und abends zu beobachten. Er wird als Morgenröte bzw. Abendrot bezeichnet und reicht in den Farbabstufungen von leichtem Rosa bis Lila über Vollrot zu tiefem Orange. Der Effekt wird durch zusätzliche Partikel in der Luft (Umweltverschmutzung, Dunst, Aerosole, Staub) weiter verstärkt.
  3. Für die Blaufärbung des Himmels im Zenit nach Sonnenuntergang ist allerdings die Chappuis-Absorption verantwortlich, die sich bei höherem Sonnenstand kaum bemerkbar macht.

Biologische Kreisläufe

Sauerstoff

Sauerstoff befindet sich in der Natur in einem steten Kreislauf. Er wird ständig von sogenannten autotrophen Organismen wie Pflanzen, Cyanobakterien („Blaualgen“) und Algen bei der Photosynthese (innerhalb der Chloroplasten) durch Photolyse aus Wasser freigesetzt.

Heterotrophe Lebewesen wie Menschen beziehen den nötigen Sauerstoff über die Lunge aus der Luft. Er wird von den Erythrozyten zu den anderen Körperzellen transportiert, und zwecks Energiegewinnung (ATP etc.) in den Mitochondrien durch Oxidation wieder zu Wasser reduziert.

Stickstoff

In der Erdatmosphäre befinden sich 1015 Tonnen Stickstoff, fast ausschließlich als molekularer Luft-Stickstoff (N2). Stickstoff muss von allen Lebewesen aufgenommen werden, er ist Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Nukleinsäuren in der DNS, von speziellen Lipiden (z.B. Sphingolipiden) und von weiteren essentiell benötigten Substanzen. Je nach Art liegt der Anteil von Stickstoff an der Trockensubstanz bei 2–6 %, oder bei durchschnittlich 1,5 %.

Abschätzungen zeigen, dass der verfügbare Stickstoff während der Erdgeschichte im Durchschnitt schon 900- bis 1000-mal von Lebewesen in ihren Körper eingebaut und wieder ausgeschieden wurde, während er jedoch rund 900.000-mal ein- und ausgeatmet wurde, ohne dass er dabei chemisch verändert wurde.
Zum Vergleich: Der Luft- und ozeanische Sauerstoff der Erde wurde bisher im Durchschnitt rund 60-mal in Biomasse eingebaut und wieder ausgeschieden.

Nur spezielle Bakterien, insbesondere Cyanobakterien, Knöllchenbakterien, und einige in Symbiose mit derartigen Bakterien an bzw. in ihren Wurzeln lebenden Pflanzen (Leguminosen, wie z. B. Erbsen, Bohnen, Linsen, Luzerne, Lupine) können den Luft-Stickstoff direkt aufnehmen und verarbeiten. Andere Pflanzen sind auf die Zufuhr einfacher, wasserlöslicher Stickstoffverbindungen, wie z. B. Ammonium (NH4+), Nitrat (NO3−)-Ionen oder Harnstoff, als Stickstoffquelle angewiesen und müssen diese Verbindungen zugeführt bekommen.

Die Prozesse im Stickstoffkreislauf bestehen darin, Stickstoff von einer Form in eine andere umzuwandeln. Viele dieser Prozesse werden von Mikroben durchgeführt. So werden beispielsweise die stickstoffhaltigen Abbauprodukte (z.B. Harnstoff) in tierischem Urin von nitrifizierenden Bakterien im Boden abgebaut, um von den Pflanzen genutzt zu werden. Menschen und Tiere können Stickstoff dagegen nur in "gebundener" (z.B. Ammonium- oder Nitratsalze) Form über die Nahrung aufnehmen.