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Grundlagen - Luft + Luftdruck
(Hier geht’s eine Ebene höher...) Inhaltsverzeichnis dieser Seite: Einleitung Anmerkung zu den Grafiken: diese sind von rascher Hand selbst angefertigt, das ist weniger mühsam, als wenn man jeweils die Erlaubnis irgendwelcher Verlage einholen muss oder die Zeichnungen am PC fertigt. Die dadurch bedingte mindere Qualität bitte ich nachzusehen, der Inhalt kommt ja aber rüber, und darauf soll es nur ankommen!
Diese Seite beschäftigt sich mit einigen interessanten Eigenarten der Luft - insbesondere, soweit sie das Fliegen betreffen. So zeigen z.B. mehr Aber auch die Temperatur hat einen Einfluss auf das Fliegen. Die meisten haben wohl schon mal gehört, dass gerade an heißen Tagen die Leistung der Flugzeuge bzw. Hubschrauber geringer ist als sonst und die Piloten versuchen, Gewicht zu sparen. Aber warum bewirkt die Hitze das? Auf das und vieles mehr soll hier eine Antwort gegeben werden.
Zunächst einmal einige einfache Grundlagen: Die Luft ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gemisch verschiedener Gase. Dieses Gasgemisch gehört zur terrestrischen (= zur Erde gehörenden) Atmosphäre (siehe dazu auch den nächsten Absatz Hintergrundwissen). Die Luft besteht aus 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und ca. 1% Edelgasen. Der Wasserdampfgehalt schwankt stark um Werte von ca. 0,4%. Unter Atmosphäre wiederum versteht man ganz allgemein die hüllenartige Gasschicht, die einen Himmelskörper umgibt. Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren Gasschichten mit jeweils unterschiedlicher Dichte. Die unterste Schicht der Erdatmosphäre ist die Troposphäre. In ihr findet eine starke vertikale Durchmischung bis in Tropopausenhöhe ab, das ist das obere Ende der Troposphäre. Fast alle Wettererscheinungen spielen sich in der Troposphäre ab. Sie liegt, je nach Region auf der Erde, in etwa 10 bis 16 km Höhe. Auf weitere Unterteilungen der Atmosphäre soll hier aber nicht eingegangen werden. Wissenschaft von der Atmosphäre Vielleicht überrascht es Sie, aber: die Wissenschaft der Vorgänge in der Atmosphäre ist die Meteorologie. Die Meteorologie ist - mit anderen Worten - die Wetterkunde. Man beschäftigt sich in diesem Gebiet hauptsächlich mit dem aktuellen Wetter und seiner Vorhersage sowie der kurzfristigen Witterung. Unter Witterung wiederum versteht man den vorherrschenden Wetterablauf in einem bestimmten Zeitraum (z.B. winterliche oder sommerliche Witterung).
Aggregatzustand und Teilchenmodell Es werden drei Zustände der Stoffe unterschieden:
Diese drei o.g. Zustände bezeichnet man als die drei Aggregatzustände der Stoffe. Zu letztgenanntem gehört die Luft. Je nach Aggregatzustand besitzen Stoffe verschiedene Eigenschaften. Diese können anhand des Teilchenmodells erklären werden. Für Gase wie Luft gilt:
Weiter gilt: Luft unterliegt als Gas einer Beziehung zwischen Druck, Temperatur und Volumen. Ein weiterer Faktor ist die in ihr enthaltene Feuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit liegt in Form von Wasserdampf vor und ist wesentlich für das Wettergeschehen verantwortlich. Merke: Der Begriff bedeutet ganz allgemein Umkehrung oder Umstellung und findet in vielen Gebieten Verwendung. In der Meteorologie bedeutet Inversion eine mit der Höhe über dem Boden zunehmende Lufttemperatur (normalerweise nimmt sie in der Höhe ab). Dies kommt besonders im Winter in Gebirgstälern vor. Inversionen verhindern den vertikalen Luftaustausch, so dass bei Inversionswetterlage die Luftverschmutzung stark zunehmen kann.
Unter Wirkung der Schwerkraft übt jeder Körper auf seine Auflagefläche einen Druck aus, der seiner Masse, das heißt, seinem Gewicht entspricht. Dies gilt auch für die Luft. Unter Luftdruck versteht man den von der Atmosphäre infolge der Schwerkraft ausgeübten Druck. Er kann an einem beliebigen Ort in der Atmosphäre gemessen werden, dass heißt, der Luftdruck ist das Gewicht der Masse der Luftsäule, die vom Messpunkt bis zum äußeren Ende der Atmosphäre reicht. Man könnte also auch von Luftgewicht sprechen. In den nächsten Absätzen wird noch besser deutlich, was das bedeutet. Ein Gebiet geringen Luftdrucks heißt barometrisches Tief, ein Gebiet hohen Luftdrucks barometrisches Hoch. Merke: Merke:
Wer konnte als erster Luft wiegen? Da die Luft ein Gasgemisch ist, kann man sie nicht auf herkömmliche Wei
Torricelli nutzte als Erster zum Nachweis des Luftdruckes ein oben geschlossenes, mit Quecksilber gefülltes Glasrohr, das er in eine Schale mit Quecksilber (chem. Zeichen: Hg) brachte. Der Flüssigkeitsspiegel im Rohr blieb in allen Fällen in einer Höhe von ungefähr 760 mm stehen. Der Lufdruck drückt auf die Oberfläche in der Schale und damit das Quecksilber in die besagte Höhe. Das bedeutet, dass eine Quecksilbersäule von 760 mm Länge so schwer ist wie die Masse Luft (gleichen Durchmessers), die von der Meereshöhe bis zum äußeren Ende der Atmosphäre reicht. Man kann das gleiche Experiment auch mit Wasser durchführen, dann würde die Wassersäule in dem Rohr ganze 10 m aufsteigen, das entspricht dann 1 bar (= 10 m Wassersäule, WS). Das sind übrigens Maßeinheiten, mit denen sich Taucher befassen, dort wird i.A. in bar gesprochen. Es gilt: 760 mmHg = 1 bar = 1.013,2 hPa (Hektopascal). Übrigens: auf Meeresspiegelhöhe wiegt die Luft rund 1,3 kg/m³. Hintergrundwissen Maßeinheiten Die Maßeinheit mm Hg (= mm Quecksilbersäule) ist in der Medizin zugelassene Maßeinheit zur Bestimmung des Druckes von Körperflüssigkeiten und wird z.B. bei der Angabe von Blutdruckwerten verwendet. Hat jemand einen Blutdruck von (umgangssprachlich) 120/80, dann meint das: 120 mm Hg zu 80 mm Hg. Auch in der sog. Blutgasanalyse (BGA) werden die sog. Partialdrucke (= Teildrucke) der einzelnen Gase in mm Hg angegeben. Maßeinheiten - früher und heute Früher war die Einheit millibar (mbar oder mb) üblich, sie b
Hintergrundwissen SI-Einheiten Die Abkürzung SI steht für das “Système International d’Unités” und wird in allen Sprachen verwendet. Eingeführt wurde das System im Jahre 1960. Unter anderem hat es zur Verwendung des Begriffs Hektopascal in der Meteorologie geführt. Ursprung des SI waren wissenschaftliche Bedürfnisse, aber inzwischen hat das SI sich auch als vorherrschendes Maßsystem der internationalen Wirtschaft etabliert. In Deutschland sind die SI-Einheiten als gesetzliche Einheiten für den amtlichen und geschäftlichen Verkehr eingeführt. Näheres dazu kann über die website der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt, Standorte in Braunschweig und Berlin-Charlottenburg) in Erfahrung gebracht werden. Die PTB pflegt in Deutschland die SI-Einheiten und befasst sich demnach u.a. mit der Metrologie, darunter wiederum wird nämlich die einheitliche Methodologie des Messens in den Naturwissenschaften verstanden. (Verwechseln Sie den Begriff Meteorologie nicht mit Metrologie).
Doch kommen wir wieder zurück zum Luftdruck...
Höheneinfluss auf den Luftdruck, Luftdichte, Lufttemperatur Erinnern wir uns: das Gewicht der weiter oben befindlichen Luftmasse drückt die unten befindliche Luft zusammen. Hier befinden sich die meisten Teilchen, hier haben sie also weniger Bewegungsfreiheit als in der Höhe. Es gilt daher: Je höher ich mich oberhalb des mittleren Meeresspiegels (Normal-Null, NN) befinde, z.B. auf einem hohen Berg...
Das hat insbesondere in der Luftfahrt eine wichtige Konsequenz. Denn ein sehr hoch gelegener Flugplatz (oder Krankenhaus) in bergigen Regionen hat einen viel niedrigeren Luftdruck als ein anderer Flugplatz (oder Krankenhaus) im Flachland. Merke:
Die ICAO-Standardatmosphäre (ISA) Es ist so, dass der Höhenmesser des Luftfahrzeugs in Abhängigkeit des Luftdrucks, der gerade herrscht, unterschiedliche Höhen anzeigt. Je höher ich bin, desto niedriger ist der Luftdruck. Also: je niedriger der Luftdruck, desto höher die angezeigte Flughöhe am Instrument. Von Ort zu Ort und Stunde zu Stunde verändern sich in der Realität jedoch die Bedingungen. Um dennoch die herrschenden Verhältnisse unterschiedlicher Orte vergleichbar zu machen, hat man eine Art Idealbild der Atmosphäre ersonnen. Die internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO hat unter dem Kürzel ISA (International Standard Atmosphere) bestimmte Werte festgelegt. Es handelt sich hierbei um Mittelwerte von Luftdruck, Temperatur und Dichte. Die Tabelle weiter unten zeigt, welche Werte festgelegt wurden. Merke: (Siehe auch Grafik unten:) Wichtig Unterhalb dieser Werte ist das aktuelle QNH einzustellen.
Die Bedingungen der ICAO-Standardatmosphäre In der ICAO-Standardatmosphäre (ISA) gelten folgende Bedingungen:
Daraus ergibt sich, dass in einer bestimmten Höhe ein festgelegter Luftdruck besteht, der in folgender Tabelle wiedergegeben wird. (Achtung, folgende Tabelle zeigt die Höhe in m, während im nächsten Absatz in den Beispielen die Höhe in ft angegeben ist, wie es in der Fliegerei üblich ist).
Tabelle Höhe und Luftdruckveränderung
Ganz wichtig ist dabei, zu beachten, dass diese Werte aber nur stimmen, wenn der Luftdruck auf Meeresspiegelhöhe (MSL) tatsächlich 1013,2 hPa beträgt. Da dies selten der Fall sein dürfte, hat der Höhenmesser eine Justierschraube, an der der aktuelle Luftdruck der Gegend, in der ich gerade bin, an der Nebenskala eingestellt werden kann. Weitere Einzelheiten dazu sind auf der Seite „Cockpit“ unter Höhenmesser beschrieben.
Auswirkungen der unterschiedlichen Luftdrucke Weitere Veränderungen ergeben sich in der Praxis beispielsweise auch aus der tatsächlichen Temperatur. Darauf soll aber erst später eingegangen werden. Wir wollen der Einfachheit halber zunächst einmal nur den Luftdruck betrachten. Hätten wir stets die ISA-Bedingungen auch in der Realität, würde das bedeuten, dass der barometrische Höhenmesser im Luftfahrzeug uns stets unsere Höhe über MSL anzeigt, sofern wir 1013 hPa eingestellt haben. Da nun in der Praxis aber häufig ein anderer Luftdruck herrscht, würden bei der Einstellung auf 1013 hPa starke Abweichungen auftreten. Die untenstehende Tabelle verdeutlicht das Problem.
Um das im vorigen Absatz beschriebene Problem lösen zu können, wird am Höhenmesser auf der sog. Nebenskala der jeweilige aktuelle Luftdruckwert des Flugplatzes eingestellt, an dem ich mich befinde bzw. der in der Nähe meiner Flugstrecke liegt. Man nennt diesen Wert QNH. Das QNH ist der Luftdruck, der an dem Flugplatz besteht, heruntergerechnet auf mittlere Meereshöhe, unter der Annahme dass sowohl am Ort der Messung, als auch darunter die Bedingungen der Standardatmosphäre herrschen. Nehmen wir an, die obige Tabelle würde die Luftdruckwerte dreier verschiedener Flugplätze darstellen, die sich zufällig alle auf Meereshöhe befinden. Dann wäre (von links nach rechts) das QNH 1013 hPa, 977 hPa und 1040 hPa. (Anmerkung: der Begriff QNH ist keine Abkürzung, sondern ist historisch bedingt und gehört neben verschiedenen anderen Begriffen zur sog. „Q-Gruppe“. Die Q-Gruppe stammt noch aus der Zeit, als bestimmte Informationen per Morsealphabet an die Flugzeuge übermittelt wurden. Es gibt auch noch die Begriffe QFF, QFE und QNE, die auch zu den Druckbegriffen gehören. Weitere Begriffe sind QDM, QDH, QTE und QUJ, die haben aber mit [Funk]navigation zu tun und nichts mit Luftdruck. Dennoch gehören auch sie zur Q-Gruppe). Das bedeutet, dass bei der Einstellung des Höhenmessers auf das aktuelle QNH die Flugplatzhöhe angezeigt wird, da der Bezugspunkt des Flugplatzes ja die Meereshöhe (MSL) ist. Umgekehrt kann man auch so verfahren: wenn ich die genaue Höhe eines Flugplatzes über MSL kenne, dann stelle ich diese am Höhenmesser so ein, dass genau dieser Wert angezeigt wird. Nun kann ich an der Nebenskala das QNH ablesen. Beispiel: der Flugplatz liegt in 1000 ft Höhe, auf diesen Wert stelle ich die Höhenanzeige. Die Nebenskala zeigt jetzt beispielsweise 996 an, das ist dann das aktuelle QNH. Ein weiteres Beispiel dazu: Merke:
Obige Grafik verdeutlicht dies. Die blaue Linie entspricht dem beabsichtigten Flugweg des Fliegers. Komme ich aus einem Hochdruckgebiet (QNH = 1020) in ein Tiefdruckgebiet (QNH = 1000) ohne mein QNH anzupassen, fliege ich im Laufe der Zeit immer tiefer (rote Linie = tatsächlicher Weg).
Ein weiterer wichtiger Wert ist das sog. QFE. Auch das QFE gehört zur oben erwähnten „Q-Gruppe“. Beim QFE wird der Luftdruck nicht auf MSL reduziert, so dass die Höhe über Grund (GND) angezeigt wird. Wenn das aktuelle QFE eines Flugplatzes am Höhenmesser eingestellt ist, dann zeigt dieser an der Landebahnschwelle die Höhe 0 an. Liegen die Enden der Landebahn(en) in unterschiedlicher Höhe, gibt es demnach zwei QFE-Werte. Der Vorteil der QFE-Verwendung liegt beispielsweise in der Flugausbildung, wenn Platzrunden geflogen werden, weil ich immer weiß, wie hoch ich gerade über Grund bin. Liegt beispielsweise der Flugplatz in 2000 ft Höhe (MSL) und mein Höhenmesser zeigt 2500 ft an, dann fliege ich nur 500 ft über Grund (GND). Zusammenfassend kann man sagen:
Verhältnis von QFE und QNH zueinander Aus dem oben gesagten ergibt sich außerdem:
Auswirkungen hoher Temperaturen auf den Höhenmesser (Siehe Grafik):
Wie fast alle Stoffe, hat die Luft die Eigenschaft, sich bei Erwärmung auszudehnen, bei Abkühlung passiert das Gegenteil. Das bedeutet, dass eine warme Luftsäule (rechts in der Grafik) dünner und höher ist als die ISA-Luftsäule (linke Säule der Grafik), denn die Luft hat sich ja ausgedehnt. Eine kalte Luftsäule (Mitte) dagegen ist dicker und kürzer, denn die Luft hat sich zusammengezogen. Zwar sind der Luftdruck am Boden und am oberen Ende der Luftsäule gleich, aber innerhalb der verschieden temperierten Luftsäulen muss logischer Weise der Abfall des Luftdrucks nach oben hin unterschiedlich sein. From warm to cold makes you never old! ... oder auch: „im Winter sind die Berge höher“. Bei diesen Aussagen handelt es sich um alte Fliegersprüche. Dieser beschreibt die Hintergründe, die im Absatz oben schon angedeutet wurden. (Siehe dazu auch bitte die Grafik unten). Was heißt das jetzt also konkret? Betrachten wir noch einmal die Grafik. Normalerweise haben wir – zumindest nach Standardbedingungen – einen Luftdruck von 942 hPa in 2.000 ft Höhe. In der kalten Luftmasse, etwa im Winter, ist dieser Luftdruckwert aber schon in 1.000 ft MSL erreicht. Ich fliege also tiefer als angezeigt (mein Höhenmesser zeigt 2.000 ft MSL, ich fliege aber tatsächlich in 1.000 ft MSL), das kann ins Auge gehen. In der warmen Luftmasse, etwa an einem heißen Hochsommertag, ist der Luftdruck von 942 hPa erst in einer Höhe von 3.000 ft (MSL) erreicht. Also zeigt mein Höhenmesser niedriger an (wieder zeigt er 2.000 ft MSL, ich fliege aber tatsächlich in 3.000 ft MSL), als meine tatsächliche Flughöhe ist. Ich fliege also höher als angezeigt. Es gilt:
Ein weiterer wichtiger Begriff ist die Dichtehöhe. Hierbei wird der Einfluss der Temperatur auf die Luftdichte besonders berücksichtigt. Der Grund dafür ist, dass die Luftdichte großen Einfluss auf die Leistung eines Flugzeugs oder auch Hubschraubers hat. Je “dünner” die Luft, desto geringer die Leistung. Der Begriff ist folgendermaßen definiert: Die Dichtehöhe ist diejenige Höhe, die in der Standardatmosphäre die gleiche Luftdichte besitzt, wie sie in der momentanen Flughöhe herrscht. (Also quasi die temperaturkorrigierte Druckhöhe).
Obige Grafik verdeutlicht dies. In der Standardluft entspricht in einer Höhe von 4.000 ft MSL die Luftdichte 0,8 kg m3. In warmer Luft erreiche ich diesen Luftdichtewert aber bereits in 3.000 ft MSL. Das bedeutet, dass bei warmer Luft in 3.000 ft Verhältnisse herrschen, als ob ich in 4.000 ft fliegen würde. Die Luft ist also „dünner“. Hohe Temperaturen können ohne weiteres die Dichtehöhe (z.B. eines Flugplatzes) um einige 1.000 ft ansteigen lassen! Die Änderung der Dichtehöhe beträgt etwa 120 ft pro Grad Celsius, also 1.200ft pro 10° C. Wenn beispielsweise der Luftdruck um 17 hPa niedriger ist als der Standardwert von 1.013,2 hPa (also 996 hPa) und die Temperatur zusätzlich 35°C am Boden beträgt anstatt 15°C (Standardwert), dann leistet ein Luftfahrzeug in 3.000 ft nur noch so viel, als wenn es in 5.900 ft (=Dichtehöhe) fliegen würde. Merke:
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ere Instrumente (Fahrtmesser, Variometer, Höhenmesser) ihre Werte in Abhängigkeit vom Luftdruck an, sie gehören damit zu den barometrischen Instrumenten. Am Höhenmesser wird das sog. QNH, also der Luftdruckwert des nächstgelegenen Verkehrsflugplatzes - heruntergerechnet auf mittlere Meereshöhe (MSL, Mean Sea Level) - eingestellt. Was soll das?
se wiegen. Bereits der Physiker Evangelista Torricelli (1608-1647), seines Zeichens italienischer Mathematiker und Physiker, wies jedoch nach, dass man die Luft wiegen kann. Er gilt als Erfinder des Quecksilber-Barometers (im Jahre 1643), dem Instrument, mit dem man den Luftdruck (also das Gewicht der Luftsäule) bestimmen kann. Die heutzutage veraltete Luftdruck-Maßeinheit “Torr” (1 Torr = 1 mmHg) geht auf seinen Namen zurück. Heutzutage wird, gemäß internationaler Vereinbarung von 1969, die Maßeinheit Hektopascal (hPa) verwendet. Im nächsten Absatz ist das Experiment von Torricelli beschrieben.
eschrieb den Druck exakt als die Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Sie wurde nach Einführung der SI-Einheiten (siehe dazu auch weiter unten) durch das Hektopascal ersetzt, so dass in der Meteorologie (= Wetterkunde) allgemein und auch in der Luftfahrt ausschließlich die Einheit Hektopascal verwenden. Dabei entspricht 1 hPa = 100 Pa (Pascal). Übrigens entspricht 1 hPa auch genau 1 mbar (oder mb). Die Einheit Pascal wurde nach dem französischen Mathematiker und Naturwissenschafter Blaise Pascal (1623 - 1662) benannt (Bild rechts).
Bei manchen Höhenmessern ist die Einstellmöglichkeit des Luftdrucks a
uf der Nebenskala in mb angegeben (Bild links). Unerwähnt soll an dieser Stelle auch nicht bleiben, dass in den angelsächsischen Ländern der Luftdruck häufig in inches Quecksilbersäule (In/Hg) angegeben wird (Bild rechts).
ist noch zu wissen, dass ab einer Höhe von 5.000 ft über Meeresspiegel (MSL) bzw. ab einer Höhe von 2.000 ft über Grund (Ground, GND) der Standardwert von 1013,2 hPa am Höhenmesser einzustellen ist. Dabei ist der jeweils höhere Wert ausschlaggebend.
