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Luftdruck

Wie alle Körper unterliegen auch Luftmoleküle der Schwerkraft. Die Luft hat deshalb eine bestimmte Gewichtskraft. Diese Gewichtskraft (Masse mal Beschleunigung) ist abhängig von der Masse (Volumen mal Dichte). Nach den Gasgesetzen besteht ein Zusammenhang zwischen der Dichte, dem Druck und der Temperatur eines Gases.

Bei Normaldruck und einer Temperatur von 0°C beträgt die Gewichtskraft von 1 dm³ Luft 12,68 kN. Durch ihre Gewichtskraft übt die Luft, auf alle in ihr befindlichen Körper einen Druck aus, den man als Luftdruck bezeichnet. Der Luftdruck auf eine bestimmte horizontale Fläche ist im Ruhezustand der Atmosphäre gleich der Gewichtskraft der darüber lagernden Luftsäule. Durch den Druck der über der Fläche befindlichen Luftschichten werden die darunter liegenden zusammengepresst und in eine Spannung versetzt, die dem durch die Gewichtskraft verursachten Druck das Gleichgewicht hält.
Da der Druck innerhalb der Luft in gleicher Weise wie innerhalb einer Flüssigkeit allseitig wirkt und deshalb ein Körper unter seinem Einfluss im Ruhezustand bleibt, ist er nicht ohne weiteres feststellbar. Es hat daher erst besonderer Methoden bedurft, um den Luftdruck nachzuweisen. Drei Namen sind mit der Erforschung des Luftdrucks eng verbunden, der des Italieners Torricelli, des Franzosen Pascal und des Magdeburger Bürgermeisters Otto von Guericke. Torricelli führte im Jahre 1643 folgenden Versuch aus:
Er nahm eine an der einen Seite geschlossene Glasröhre und füllte sie mit Quecksilber. Dann verschloss er die Öffnung, kehrte die Glasröhre um und stellte sie in ein mit Quecksilber gefülltes Gefäß. Nach Freigabe der Öffnung konnte er beobachten, dass das Quecksilber in der Glasröhre nur bis zu einer bestimmten Höhe absank.
Darüber musste ein luftleerer Baum entstanden sein. Torricelli vermutete, dass die wirksame Kraft, die das Quecksilber in der Glasröhre hält, durch den Luftdruck hervorgerufen wird. Er überwand damit die Vorstellungen der damaligen Zeit, dass das Quecksilber wegen der Scheu vor leeren Räumen (horror vacui) nicht aus der Röhre ausfloss. Mit seinem Versuch erfand Torricelli im Prinzip das Instrument zum Messen des Luftdrucks, das Barometer.
Den eindeutigen Beweis für die Wirkung des Luftdrucks erbrachte im Jahre 1648 Pascal, auf dessen Anregung gleichzeitig in der Ebene und auf einem hohen Berg Messungen nach dem Prinzip Torricellis angestellt wurden. Dabei konnte man an beiden Orten unterschiedliche Höhen der Quecksilbersäule beobachten.
Berühmt geworden ist der Versuch, den Otto von Guericke zum Nachweis des Luftdrucks am 8. Mai 1654 auf dem Reichstag in Regensburg vorführte. Er setzte zwei große kupferne Halbkugeln zusammen, pumpte die Luft heraus und spannte an jeder Seite 8 Pferde an. Diese vermochten nicht, die beiden Halbkugeln auseinanderzuziehen, weil beide Halbkugeln durch den darauf lastenden Luftdruck zusammengedrückt wurden. Die physikalische Erklärung des Torricellischen Versuches ist, dass der Luftdruck auf das Quecksilber in dem Gefäß wirkt, sich dem Quecksilber in der Glasröhre mitteilt und es soweit empordrückt, bis die Gewichtskraft der Quecksilbersäule der Gewichtskraft einer Luftsäule gleichen Querschnitts wie bei einer Waage das Gleichgewicht hält.
Der Druck ist physikalisch als Kraft/Fläche definiert. Da Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist,, hängt der Druck bzw. die Gewichtskraft eines Körpers von der Fallbeschleunigung ab. Wegen der Abplattung der Erde ist die Entfernung zum Massenmittelpunkt an den Polen kleiner als am Äquator. Außerdem ist an den Polen die Zentrifugalkraft nicht wirksam. Als Folge dieser beiden Tatsachen nimmt die Fallbeschleunigung und damit die Gewichtskraft von den Polen zum Äquator in gesetzmäßiger Weise ab. Wenn man mit einem Quecksilberbarometer vergleichbare Messungen erhalten will, muss man eine Korrektion auf einen mittleren Wert der Fallbeschleunigung (Normfallbeschleunigung) vornehmen. Diese entspricht etwa der Fallbeschleunigung auf 45° Breite.
Da die Gewichtskraft der Quecksilbersäule durch Messung ihrer Länge festgestellt wird, die Länge der Quecksilbersäule aber von der Temperatur abhängig ist, muss eine weitere Korrektion auf eine Temperatur von 0°C durchgeführt werden. Sollen Luftdruckmessungen eines Gebietes verglichen werden, wie in der synoptischen Meteorologie, ist außerdem noch die Höhe des Beobachtungsortes zu berücksichtigen, denn die Luftsäule über zwei Orten mit unterschiedlicher Höhenlage sind verschieden lang und üben infolgedessen einen verschiedenen Druck aus.
Es muss daher eine Reduktion auf ein einheitliches Niveau, die Höhe des Meeresspiegels oder Normalnull (NN), vorgenommen werden. Als mittleren Luftdruck hat man den Druck angenommen, der dem Druck einer Quecksilbersäule von 76 cm Länge bei 0°C und dem Normwert der Fallbeschleunigung entspricht. Er wird als Normdruck bzw. physikalische Atmosphäre bezeichnet.