Barometrische Höhenformel

Die barometrische Höhenformel beschreibt die Änderung des Luftdruckes mit der Höhe (vertikaler Druckgradient). In der einfachsten Form wird angenommen, dass der Luftdruck in der Nähe des Meeresspiegels pro acht Meter Höhenzunahme ein Hektopascal (Millibar) abnimmt.

Hydrostatik

Die Luft wird im Gegensatz zu Wasser durch das eigene Gewicht massiv zusammengedrückt. Deshalb nimmt die Dichte der Luft mit der Höhe ab. Schneiden wir ein dünne, horizontal ausgerichtete Scheibe aus der Atmosphäre heraus, darf die Dichte der Luft innerhalb dieser Scheibe als konstant angenommen werden. Folglich kann höhenbedingte Druckabnahme durch die hydrostatische Formel beschrieben werden

[math]dp = -\rho g dh[/math]

Die Gravitationsfeldstärke g kann als konstant angenommen werden, weil sich das Gravitationsfeld im Bereich der Atmosphäre nicht stark abschwächt.

Die Luft (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, Argon, Kohlenstoffdioxid und Wasser) verhält sich in guter Näherung als ideales Gas. Folglich gilt die universelle Gasgleichung

[math]\frac {pV}{m} = \frac {p}{\rho} = \frac {nRT}{m} = \frac {RT}{\hat m}[/math]

wobei für Stoffmenge und Masse die entsprechenden Mischwerte einzusetzen sind. Löst man die Gasgleichung nach der Dichte auf und setzt den so gewonnenen Ausdruck in die hydrostatische Formel ein, kann diese nach dem Druck separiert werden

[math]\frac {dp}{p} = -\frac {\hat mg}{RT}dh[/math]

Den Druck p in beliebiger Höhe h erhält man durch eine Integration

[math]\ln(p/p_0) = \frac {\hat mg}{R} \int_h^0\frac{1}{T(h)}dh[/math]

Die Temperatur T variiert in komplizierter und kaum vorhersagbarer Weise mit der Höhe. Deshalb müssen bestimmte Annahmen über den Temperaturverlauf T(h) gemacht werden.

isotherme Atmosphäre

Würde sich die Luft nur langsam mischen und wäre sie zudem ein guter Wärmeleiter, so wäre die Atmosphäre im thermischen Gleichgewicht überall gleich warm (isotherm). Bei isothermen Vorgängen gehorcht das ideale Gas dem Boyle-Mariotte'schen Gesetz, wonach das Produkt aus Volumen und Druck konstant bleibt. Entsprechend nimmt der Quotient aus Druck und Dichte einen festen Wert an

[math]\frac {p}{\rho} = \frac {p_0}{\rho_0}[/math]

Löst man diesen Ausdruck nach der Dichte auf, setzt ihn in die hydrostatische Formel ein und separiert nach dem Druck, erhält man die Gleichung

[math]\frac{dp}{p} = -\frac {g\rho_0}{p_0}dh = -\frac {dh}{h_0}[/math]

Die Konstante h₀ entspricht der Tiefe eines Sees, der mit einem Fluid gefüllt ist, das die gleich Dichte wie die Luft am Boden aufweist, und dessen Bodendruck gleich gross wie bei der Atmosphäre ist. Wäre also die Atmosphäre inkompressibel, entspräche ihre Höhe dem Wert h₀ = p₀ / (g ρ₀). Bei einer 15°C warmen Atmosphäre und einem Druck auf Meereshöhe von 1013 Hektopascal ist h₀ = 8.43 km.

Integriert man diese Gleichung vom Boden her und wendet beidseits die Exponentialfunktion an, erhält man die barometrische Höhenformel für die isotherme Atmosphäre

[math]p = p_0 e^{-h/h_0}[/math]

Der Druck der isothermen Atmosphäre sinkt bei h₀ auf den Wert p₀/e.