Atmosphäre
atm — Nicht-SI-Einheit · Größe: Druck · 101 325 Pa exakt
Florentiner Brunnenbauer klagten, keine Pumpe hebe Wasser höher als zehneinhalb Meter, wie sehr man sich auch mühe. Galilei spottete, der Natur gehe wohl die Scheu vor der Leere aus. Sein Schüler Torricelli wollte es genau wissen und ersetzte Wasser durch Quecksilber — vierzehnmal schwerer, also fällt die Säule kürzer aus und passt auf den Tisch. Das Quecksilber im verschlossenen Rohr blieb bei sechsundsiebzig Zentimetern stehen, und darüber blieb eine Leere, die es nicht geben durfte. Die Pumpe saugt also nichts: die Luft drückt das Wasser ins Rohr, und zwar genau mit der Kraft, die diese Säule aufwiegt. Wir leben, schrieb Torricelli, versenkt am Grunde eines Luftmeeres.
01 · Definition
Die Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Einheit des Drucks und beträgt genau 101 325 Pascal. Die Zahl ist nicht gemessen, sondern festgesetzt: es ist der Druck einer 760 mm hohen Quecksilbersäule bei null Grad und Normfallbeschleunigung, einmal berechnet und seit 1954 als Definition festgeschrieben.
Man beachte, was mit der Logik geschah. Zuerst war die Einheit ein Gegenstand: eine Quecksilbersäule, die man eingießen, mit dem Lineal messen und mit eigenen Augen sehen konnte. Dann rechnete man den Gegenstand über Dichte und Schwerkraft aus, erhielt eine fünfstellige Zahl — und erklärte die Zahl selbst zur Einheit. Das Quecksilber wurde damit entbehrlich: sollte morgen seine Dichte etwas genauer bekannt sein, rührt sich die Atmosphäre nicht, denn sie handelt nicht mehr von Quecksilber.
Täuschend ist an dieser Einheit nur die zweite Hälfte ihres Namens. Die «Norm»-Atmosphäre sagt nichts darüber, was vor dem Fenster geschieht: der tatsächliche Bodendruck schwankt von 870 Hektopascal im Auge eines Taifuns bis 1085 über dem winterlichen Sibirien, und genau eine Atmosphäre tritt streng genommen zufällig ein. Sie ist ein Bezugspunkt, keine Messung: auf sie werden Gasvolumina bezogen, von ihr aus zählt man Siedetemperaturen, mit ihr eicht man Manometer — und aus Gewohnheit nennt man sie «Normaldruck», obwohl es einen normalen Druck in der Natur nicht gibt.
Aus der festgelegten Zahl folgt die ganze Arithmetik dieses Blattes: die Atmosphäre ist genau 760-mal so groß wie ein Millimeter Quecksilbersäule, 1,013 25-mal so groß wie das bar und 1,033-mal so groß wie die technische Atmosphäre — jenes «at», das Kilopond je Quadratzentimeter, das bis heute mit der echten verwechselt wird. Der Unterschied beträgt drei Prozent: genug, um eine Rechnung zu verderben, und zu wenig, um den Fehler am Manometer zu bemerken.
Eine Atmosphäre sind zehn Tonnen dreihundertdreißig Kilogramm Luft auf jedem Quadratmeter: auf den Schultern eines Erwachsenen etwa sechshundert Kilogramm, auf der Handfläche hundertfünfzig. Sie zerdrückt uns nicht, weil sie von außen und von innen drückt — nimmt man aber auf einer Seite die Hälfte weg, wird die Differenz zu einer sehr spürbaren Kraft. Saugnapf, Trinkhalm, Vakuumheber für Glas und der Brustkorb beim Einatmen arbeiten nach demselben Prinzip: den Druck auf einer Seite ein wenig senken und die Atmosphäre die Arbeit tun lassen.
02 · Umrechnung
Geben Sie einen Wert ein — das Blatt rechnet ihn in die übrigen um
Drei Familien: die Druckskala selbst, vertraute Objekte unter diesem Druck und die von der Atmosphäre gesetzten Standardbedingungen.
Die Hauptfalle liegt nicht bei den Faktoren, sondern beim Bezugspunkt. Ein Haushaltsmanometer — für Reifen, für den Kompressor, jedes mit Zeiger — zeigt den Überdruck, also die Differenz zur umgebenden Luft; «zweieinhalb im Reifen» bedeutet dreieinhalb absolut. Die Formeln der Gasgesetze, Siedetemperaturen und Löslichkeiten verlangen den Absolutdruck. Daher die zwei Buchstaben in englischsprachigen Katalogen, psig und psia, und daher auch die Hälfte aller verdorbenen Rechnungen: sie zu verwechseln heißt, sich um genau eine Atmosphäre zu irren, was bei niedrigen Drücken mehr ist als die gemessene Größe selbst.
| Schreibweise | Was es bedeutet | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|---|
| atm | Normatmosphäre | 1,0000 | Chemie, Tauchen |
| Pa | Pascal, die SI-Einheit | 101325 Pa | Normen und Berechnungen |
| kPa | Kilopascal | 101,325 | Reifen, SI-Technik |
| bar | bar | 1,01325 | Hydraulik, Tauchen |
| hPa | Hektopascal, alias Millibar | 1013,3 | Wetterberichte |
| mmHg | Torr | 760,00 | Medizin, Vakuumtechnik |
| at | technisch, kp/cm² | 1,0332 | alte Dokumentation |
| psi | Pfund je Quadratzoll | 14,696 | angelsächsische Technik |
| mmHg | Blutdruck | 101325 Pa | 120 mm — systolisch beim Gesunden |
| bar | Pkw-Reifen | 101325 Pa | 2,5 bar am Manometer |
| atm | Tauchflasche | 101325 Pa | 200 Atmosphären im Stahlbehälter |
| hPa | Wetterbericht | 101325 Pa | 1013 hPa am Boden |
| atm | IUPAC-Standardbedingungen | 101325 Pa | 1 bar seit 1982, davor die Atmosphäre |
| kPa | Normalbedingungen | 101325 Pa | 101,325 kPa und 0 °C |
| mmHg | Barometrische Prüfung | 101325 Pa | 760 mm bei 0 °C und g₀ |
Die Umrechnungen sind exakt: alle diese Einheiten sind über das Pascal mit ganzen Faktoren definiert, und keine davon wird durch Versuche nachgebessert. Die einzige lebendige Zahl in der Tabelle ist das Hektopascal: es stimmt mit dem Millibar überein, und deshalb konnte die Meteorologie ihre Einheit wechseln, ohne Beobachter umzuschulen und Karten neu zu zeichnen.
03 · Größenordnungen
dekadischer Logarithmus des Drucks, AtmosphärenBewohnbarer Bereich und alltägliche Technik
04 · Messgeräte
Womit man die Atmosphäre misst
Ein meterlanges Glasrohr, an einem Ende zugeschmolzen, mit Quecksilber gefüllt und in eine Schale gestürzt: das Quecksilber sinkt, bis es auf der Gleichgewichtshöhe stehen bleibt, und darüber bleibt die Torricelli-Leere — das erste von Hand erzeugte Vakuum. Das Gerät ist tadellos genau und völlig unbequem: es ist schwer, verträgt keine Neigung und verlangt Korrekturen für die Quecksilbertemperatur und die örtliche Schwerkraft. Dafür braucht es keine Eichung — das Lineal ist die Skala.
Dasselbe Prinzip, zur Metrologie geführt: die Schale ist unten mit einem Lederbeutel verschlossen, und mit einer Schraube bringt man ihren Spiegel jedes Mal auf den Nullpunkt der Skala — eine Elfenbeinspitze, die ihr Spiegelbild im Quecksilber gerade eben berühren soll. Erst danach liest man das obere Ende der Säule mit dem Nonius auf ein Zehntelmillimeter ab. Mit solchen Barometern gab man bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts den Druck auf Prüfständen vor, und gerade aus ihren auf null Grad und Normschwere umgerechneten Anzeigen wuchs die Zahl 101 325.
Statt Quecksilber eine flache gewellte Dose mit ausgepumpter Luft, die sich leicht zusammendrückt, wenn der Druck steigt, und sich streckt, wenn er fällt. Ihre Wand bewegt sich um Zehntelmillimeter, und der ganze Kunstgriff des Geräts liegt in den Hebeln, die diese Bewegung bis zum Zeigerausschlag vergrößern. Ein Aneroid darf man transportieren, fallen lassen und im Flur aufhängen, doch mit der Zeit lügt es: die Feder ermüdet, und man muss es mit dem Quecksilberbarometer vergleichen. So bekam ein und dieselbe Größe ein «richtiges» und ein «bequemes» Gerät.
Im Telefon lebt eine Siliziummembran von der Größe eines Sandkorns: sie biegt sich unter Druck, und mit der Biegung ändern sich Kapazität oder Widerstand der Dehnungsmessstreifen an ihrem Rand. Die Empfindlichkeit liegt bei etwa zehn Pascal, also weniger als einem Meter Höhe, und deshalb unterscheidet der Navigator das erste vom dritten Stockwerk. Es gibt inzwischen mehr Barometer als Thermometer auf der Welt, und ihre aus Millionen Telefonen gesammelten Werte fließen bereits in Wettermodelle ein.
05 · Schreibweise
Drei Kleinbuchstaben und ein Vorbehalt
Die Einheit ist nicht nach einer Person benannt, deshalb wird das Zeichen kleingeschrieben; Vorsätze werden nicht angehängt.
Ein großes «A» findet sich in Katalogen importierter Geräte und bedeutet immer Nachlässigkeit, nicht eine andere Einheit. Das bar unterscheidet sich von der Atmosphäre um 1,3 Prozent und wurde gerade eingeführt, um eine runde Zahl von Pascal zu haben; die Meteorologie gab die Atmosphäre schon in den dreißiger Jahren zu seinen Gunsten auf, und die Berichte laufen in Hektopascal, die den Millibar zahlenmäßig gleich sind. Die technische «at» ist das Kilopond je Quadratzentimeter, sie ist um drei Prozent kleiner als die echte und kommt in alter Dokumentation häufiger vor als atm. Die letzte Zeile rechts handelt von dem, was fehlt: ohne den Zusatz «absolut» oder «Überdruck» ist eine Druckangabe unvollständig, und das ist der einzige Vorbehalt, den man nicht weglassen darf.
07 · Historischer Teil
Wie die Leere zur Einheit wurde
Der Versuch dauerte eine Minute, gestritten wurde zwanzig Jahre darüber: über dem Quecksilber im Rohr fand sich eine Leere, die es nach allgemeiner Überzeugung nicht geben konnte. Torricelli erklärte alles auf einmal: die Säule trägt das Gewicht der Luft, und ihre Höhe ist nicht konstant — sie änderte sich von Tag zu Tag. Ein Gerät, für einen philosophischen Streit ersonnen, erwies sich sofort als Wetterprophet, und das ist der einzige Fall, in dem die Meteorologie aus dem Vakuum geboren wurde.
Blaise Pascal schloss: hält die Luft die Säule, so ist auf dem Berg weniger Luft, und die Säule muss sinken. Er selbst war zu schwach an Gesundheit, und auf den Puy de Dôme stieg sein Schwager Florin Périer mit zwei Rohren: eines ließ er am Fuß in der Obhut eines Mönchs, das andere trug er hinauf. Auf dem Gipfel fiel das Quecksilber um drei Zoll und eine Linie. Der Streit war beendet: die Luft wiegt, und sie wiegt weniger, je höher man steigt.
Der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke legte zwei kupferne Halbkugeln zusammen, pumpte mit seiner Pumpe die Luft heraus und ließ Gespanne versuchen, sie zu trennen. Acht Pferde auf jeder Seite schafften es nicht; bei einem halben Meter Durchmesser hielt die Atmosphäre die Kugel mit etwa zwei Tonnen zusammen. Die Rechnung versteht jeder, der Fläche mit Druck multiplizieren kann, doch das Schauspiel erklärte es besser als jede Herleitung — und ging für vier Jahrhunderte in die Lehrbücher ein.
Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts zeigte sich das Unbequeme: die Definition über 760 Millimeter Quecksilber zog die Dichte des Quecksilbers und die örtliche Schwerkraft nach sich, und beide Größen wurden immer wieder nachgemessen. Die zehnte Generalkonferenz für Maß und Gewicht durchschlug den Knoten und erklärte die Atmosphäre per Definition zu 101 325 Pascal. Die Einheit verlor die Bindung an einen Stoff und wurde zum bloßen Faktor — mit demselben Kunstgriff, mit dem man später den Meter und dann das Kilogramm von Gegenständen löste.
Die Einheit, die abgeschafft wurde und doch blieb
Die Atmosphäre gehört nicht zum SI und wird zur Verwendung nicht empfohlen: für den Druck gibt es das Pascal und für große Werte dessen Vorsätze. Dennoch hält sich die Einheit dort, wo nicht die Zahl zählt, sondern der Vergleich mit der Luft vor dem Fenster. Ein Chemiker schreibt «Reaktion bei 3 atm», weil ihm wichtig ist, wie viel mal mehr als der Luftdruck es ist; ein Taucher rechnet die Tiefe in Atmosphären, weil je zehn Meter Wasser genau eine hinzufügen und das die bequemste Rechnung seines Fachs ist; ein Reifenmanometer ist in bar und atm geteilt, da der Unterschied kleiner ist als die Messunsicherheit. Das metrologische Paradox liegt darin, dass die Atmosphäre nach 1954 aufhörte, eine Messung zu sein, und zu einem exakten Faktor wurde — also genau zu dem, was bequem zu benutzen ist, und genau zu dem, was sich nicht durch Versuche prüfen lässt. Prüfen kann man ein Barometer, nicht eine Einheit; und ein in Pascal geprüftes Barometer zeigt eine Atmosphäre nur durch seltenen Zufall. Ähnlich erging es ihren Verwandten: der Millimeter Quecksilbersäule ist ebenfalls über das Pascal definiert und ebenfalls lebendig — in der Medizin, wo man mit ihm den Blutdruck misst, und keine Empfehlung hat daran etwas geändert.
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eine Größe, ein Dutzend SkalenSI-Basiseinheiten
Kilogramm, Meter, SekundeSprache des Blattes
36 Sprachen. Das Zeichen atm ist international, die gewohnten Skalen sind es nicht: in der Übersetzung werden die Tabellen an die örtliche Praxis angepasst.