1 Wasserdampf -
ein Treibhausgas		 3 Dimensionen
Wasser, Feuchte, Luft		 5 Messung -
Luftfeuchtebestimmung		 zur
Übersicht
2 Absorption -
Aufnahme von Strahlung		 4 Konzentrationen -
Wo ist es wie feucht?		 6 Vorhersage -
Wasser und Erderwärmung		 zur
Schulseite
Kapitel 3
Dimensionen

Lila Kühe

Wie schwer ist Luft?

Wieviel Wasser enthält Luft?

Wie dick ist die Atmosphäre?

Wir fassen
zusammen

Zur Übersicht

Dimensionen
Wasser, Feuchte, Luft

Lila Kühe

Wie schwer ist die Luft?
Stellen wir doch diese Frage einmal unseren Eltern zuhause oder unseren Freunden. Die meisten werden sicherlich ganz schön dumm gucken.

Wie dick ist die Atmosphäre?
Ehm ... was?

Wieviel Wasserteilchen sind in einem Liter?
Oh ... äh .. tja, also - weiss nicht ...

Es gibt eine Menge Dinge um uns herum, von deren Größe, Gewicht, Anzahl wir so gut wie nichts wissen. Wir werden in den Kapiteln dieser Reihe zum Thema Wasser auch eine Menge Bilder und Animationen sehen. Oft sind hier aber die Dimensionen nicht richtig dargestellt.
Nicht weil sie nicht korrekt dargestellt werden sollen, sondern weil es nicht geht. Stellen wir uns vor, wir malen in ein Erdkundeheft eine Landkarte von Deutschland. Jetzt sollen wir auf diese Landkarte einen Wagen malen, der in Hamburg vor dem Haus Steinstrasse 38 geparkt ist. Wir können dann zwar irgendwo im Norden von Deutschland einen Wagen malen, aber der wird entweder nicht sichtbar sein, oder aber im Verhältnis zu Deutschland viel zu gross. Viel extremer ist dieses Problem in der Darstellung, wenn wir über Moleküle reden, da sie so winzig klein sind.


falsche Dimensionen:
Wolkenhöhe: etwa 10 km
Erddicke: 13.000 km

Genauso ist in der folgenden Animation die Atmosphäre mit ihren Wolken viel zu dick.
Man hat einmal in einem Versuch eine grosse Zahl von Kindern gebeten, eine Kuh zu malen. Ein erheblicher Anteil hat die Kuh lila gemalt - offenbar nicht unerheblich von der Werbung einer gewissen Schokoladenmarke beeinflusst. Und offenbar haben die Kinder noch keine Kuh in freier Natur gesehen - schlimm genug! Damit wir nicht auch durch viele (notwendigerweise) falsche Bilder ein falsches Bild von der Realität bekommen, ist dieses Kapitel da.

Wie schwer ist die Luft?

Nun aber zurück zu unserer Frage: Wie schwer ist die Luft?

Luft wiegt nichts!?! Oh doch!

Luft besteht aus Molekülen, und die haben auch ein Gewicht. Sonst gäbe es keinen Luftdruck und dieser würde auch nicht mit der Höhe abnehmen.
Ein einzelnes Molekül ist allerdings so winzig, dass es sehr sehr wenig wiegt.
Wie gross ist es eigentlich?

Nun, reden wir über Stickstoff und Sauerstoff, oder über Wasser. Die Luft besteht zu ca. 78% aus Stickstoff und zu ca. 21% aus Sauerstoff.
Sauerstoff (Oxygenium) besteht aus zwei Sauerstoffatomen und hat die Formel O2. Stickstoff (Nitrogenium) besteht aus zwei Stickstoffatomen und hat die Formel N2. Wie gross aber ist ein Stickstoffatom?

Nun, schauen wir im Chemiebuch nach! Atome haben einen Radius von 0,5 bis etwa 1,5 Angström, je nach Element. Aha! Was ist das?
Nochmal nachschlagen! 1 Angström = 0,1 Nanometer = 1x10-10 m.
Hm ...was sagt uns das?

Also:
1 Meter (m) hat 1000 Millimeter (mm).
1 Millimeter (mm) hat 1000 Mikrometer (µm)
1 Mikrometer (µm) hat 1000 Nanometer (nm)

Und ein Nanometer ist also so lang wie 5-10 Atome nebeneinander.

Und wenn wir davon eine Million haben ... also 5-10 Millionen Atome nebeneinander, dann ist das 1 Millimeter. Ziemlich schwer vorzustellen ...
5-10 Milliarden Atome nebeneinander geben einen Meter.
Also ... Betrachten wir die x-Taste auf unserer Tastatur. Wie gross mag ein Atom im Vergleich sein? Wir könnten es nie sehen. Nun stellen wir uns vor, die x-Taste sei so gross wie die ganze Stadt München. Dann wäre ein Atom gerade mit dem blossen Auge zu erkennen, so gross wie ein Zehntel Stecknadelkopf. So klein sind Atome und Moleküle - auch das Wassermolekül.

Ergänzende Rechnung für den Chemieunterricht HIER.

Wieviel wiegt aber nund die Luft. Wir werden experimentell bestimmen, dass 1 L Luft 1,18 g wiegt. Etwas vereinfachend können wir sagen: 1000 L Luft wiegen 1 kg, 1000 L flüssiges Wasser 1000 kg. Damit passen in ein normales Zimmer von 4 x 4 x 2,50 m etwa 40 kg Luft, aber 40.000 kg Wasser.

Schon mal überlegt, wieviel Tonnen Wasser in ein Schwimmbecken von 50 x 15 m und 2,50 m Tiefe passen? Und wieviel kg Luft?


Quelle: MPI Mainz - Gruppe Brenninkmeijer

Wieviel Wasser enthält Luft?


Quelle: ESPERE

Wir werden im Kapitel 'Konzentration' lernen: Dort wo es am wärmsten und am feuchtesten ist, nämlich in den Tropen, kann ein kg Luft bis zu 30 g Wasser aufnehmen. An den Polen kann dies bis zu 500 mal weniger sein - sagen wir grob 0,1 g Wasser, in jedem Fall deutlich unter 1 g.

Nehmen wir eine noch ziemlich feuchte Luft von 18 g (= 1 mol) pro kg Luft an. Dann kommen auf etwa 100 Teilchen Luft 3 Teilchen Wasser. Die Feuchte macht also schon einiges an unserer Luft aus.

Wir müsse hier einmal daran denken, dass alle anderen Gase in der Luft (außer Argon, ca. 1%) im Vergleich zu Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) nahezu nichts ausmachen. Der Anteil dieser Gase wird nicht mehr in Prozent angegeben sondern in Millionstel Teilen.
Parts per million = ppm
Nun sind 10.000 ppm = 1%
Demnach kann Wasser als wichtigstes Treibhausgas in wärmeren Gegenden auf einen Anteil von 1000 bis 40.000 ppm (= 0,1 bis 4%) kommen.
Die anderen Treibhausgase dazu im Vergleich:

Kohlendioxid CO2 370 ppm heute
280 ppm vor der Industrialisierung
Methan CH4 1,7 ppm
Lachgas
Distickstoffmonoxid N2O		 0,3 ppm

Das heißt:
Von einer Million Moleküle in der Luft sind 370 Kohlendioxid, etwa 2 Methan und zwischen 100 an den Polen und bis zu 40.000 in den Tropen Wasser.


Wie dick ist die Atmosphäre?

Die Erdatmosphäre ist im Verhältnis zur Größe der Erde eine sehr dünne Schicht Luft: Ihre unteren Teile (Troposphäre und Stratosphäre) würden etwa einem Blatt Papier entsprechen, das um eine Orange gewickelt ist. Die Troposphäre, in der sich Wolkenbildung und Wettergeschehen abspielen reicht bis in nur etwa 10 km Höhe (18 km in den Tropen), die Stratosphäre bis in 50 km Höhe. Aber in der Troposphäre befinden sich schon 80% der Luftmasse, da die Luft mit der Höhe immer dünner wird.

Die Erde selbst aber hat einen Radius von 6370 km (12740 km Durchmesser). 10 km sind wir mit dem Rad in etwa einer halben Stunde gefahren. Um die Erde dauert es etwas länger. Alle Bilder, in denen die Erde von einer dicken blauen Hülle umgeben ist, sind also verfälschte Darstellungen. Diese Darstellung ist ein bisschen realistischer.


Quelle: MPI Mainz - Gruppe Brenninkmeijer

Im Gegensatz zu den Molekülen müssen wir uns bei der Atmosphäre nicht völlig auf unsere Vorstellung verlassen. Auf Fotografien aus dem Weltraum unter einem günstigen Blickwinkel kann man die Atmosphäre durchaus als dünne hellblaue Schicht sehen.

Die Atmosphäre ist also gar nicht so furchtbar dick. Wenn wir jetzt nach der Zahl der Moleküle in ihr fragen, wissen wir, dass sie unvorstellbar sein wird. Stellen wir die Frage also etwas anders:

Gibt es mehr Wassermoleküle in den Ozeanen oder mehr Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Luft?
Können wir sowas überhaupt abschätzen?
Ganz grob sicherlich:
Wir wissen nun: Am Boden passen in das gleiche Volumen etwa 1 kg Luft, aber 1000 kg Wasser. Bedenken wir, dass ein Wasserteilchen etwas leichter ist als ein Luftteilchen so ist das Teilchenverhältnis Luft zu Wasser etwa 1 : 1600.

Wenn also Ozean und Luftschicht das gleiche Volumen hätten, wären 1600 mal mehr Wassermoleküle im Ozean. Aber haben sie das gleiche Volumen? Die Troposphäre enthält den Hauptteil der Luftmoleküle und ist 10-15 km dick rund um die Erde. Der Ozean geht nicht rund um die Erde, sondern bedeckt nur 71% der Oberfläche. Er ist auch nur 2-6 km tief. Also ist das Volumen bestimmt 10x kleiner und das Teilchenverhältnis 1 : 160? Nicht ganz! ... in 10 km Höhe sind viel weniger Moleküle in der Luft als am Boden, weil sie dünner wird. Der Ozean wird nicht dünner. Damit gewinnt der Ozean wieder im Verhältnis zur Lufthülle.

Am Ende sagt uns die genauere Berechnung:

Der Ozean hat etwa 450 mal mehr Teilchen Wasser als die Atmosphäre Luft.

Denken wir nun auch noch daran, dass der Anteil des Wassers (Luftfeuchte) an der Luft bei etwa 1% liegt, so können wir getrost sagen: Alles Wasser unserer Welt ist praktisch in den Ozeanen, einiges noch im Eis der Pole und Gletscher gefroren und nur ein ganz geringer Teil in der Atmosphäre. Machen wir uns abschliessend die Dimensionen in einem Bild klar.


Quelle: ESPERE

Die Dimensionen:
Die Tropossphäre als unterste Luftschicht ist ca. 10-15 km dick und damit nur eine dünne Schicht um die etwa 13.000 km dicke Erde. Sie enthält 80% der gesamten Luftmasse und fast 100% des Wassers in der Luft. Die Ozeane sind etwa genauso tief (4-8 km), wie die hohen Berge auf der Erde hoch sind. Sie enthalten 450 mal mehr Teilchen an Wasser als Moleküle in der Luft sind, und da nur 1% der Luft Wassermoleküle sind, etwa 45.000 mal mehr Wasser als in der Luft ist.


Wir fassen zusammen:

Reden wir über die Erde, die Atmosphäre und Moleküle, so sind die Größenunterschiede enorm. Wollen wir die Dinge im gleichen Bild darstellen, so stimmt das Verhältnis oft nicht. Das einzelne Wasserteilchen (ein Molekül) ist kleiner als 1 Millionstel Millimeter. Unzählige passen in die riesigen Ozeane, die etwa 45.000 mal mehr Wassermoleküle enthalten als die Lufthülle. Die unterste Luftschicht (Troposphäre) enthält fast 100% allen Wassers in der Luft. Sie ist 10-15 km dick, damit aber nur eine hauchdünne Schicht um die 13.000 km dicke Erde.

Text: Elmar Uherek - Max Planck Institut für Chemie Mainz

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