„Ich glaube, es wird regnen, denn meine Knie tun weh.“
Immer, wenn meine Großmutter sagte, dass ihr die Knie wehtun, regnete es ausnahmslos. Wenn es weiterhin bewölkt ist, sagen manche Menschen, dass sie sich schlecht fühlen oder ihr Körper schmerzt. Das ist nicht nur ihre Einbildung. Wenn jemand sagt: „Ich fühle mich nicht gut“, dann reagiert sein Körper tatsächlich auf die Wetterveränderungen.
Wenn der atmosphärische Druck, der auf unserem Körper lastet, niedrig ist, wird der Druck im Kniegelenk relativ hoch, was zu Knieschmerzen führt. Außerdem wird es bei niedrigem Luftdruck bewölkt und der Himmel verdunkelt sich. Infolgedessen bekommen die Menschen vergleichsweise weniger Sonnenlicht ab. In diesem Fall sinkt die Produktion von Serotonin, einem chemischen Stoff im Gehirn, der dafür sorgt, dass man sich glücklicher und ruhiger fühlt, und Melatonin, ein Hormon, das mit dem Einschlafen in Verbindung gebracht wird, steigt an. Das ist der Grund, warum man sich ohne besonderen Grund niedergeschlagen fühlt. Eine solche körperliche Reaktion auf meteorologische Einflüsse wird als Meteorotropismus bezeichnet. Er entsteht, weil der atmosphärische Druck wirkt. Was ist nun der atmosphärische Druck, der über unsere Stimmungen und unseren Körperzustand entscheidet?
Der atmosphärische Druck ist der Druck, der durch das Gewicht der Luft in der Erdatmosphäre ausgeübt wird. Wir nehmen das Gewicht nicht intuitiv wahr. Um das Gewicht der Luft zu veranschaulichen, verwendete Evangelista Torricelli, ein italienischer Physiker, Quecksilber, das 13,6-mal dichter ist als Wasser. Er füllte ein etwa einen Meter langes, oben verschlossenes Rohr mit Quecksilber und stellte es senkrecht in ein Becken mit Quecksilber, wobei er darauf achtete, dass keine Luft eindringen konnte. Es wirkten zwei Kräfte: das Gewicht des Quecksilbers, das nach unten ging, und der atmosphärische Druck, der das Quecksilber in das Becken drückte, sodass es in der Röhre nach oben stieg. Infolgedessen fiel die Quecksilbersäule auf etwa 76 ㎝ und hinterließ oben in der Röhre ein Vakuum. Da sich die Höhe der Quecksilbersäule in der Röhre nicht mehr veränderte, waren die beiden Kräfte ausgeglichen. Der atmosphärische Druck war also stark genug, um das Quecksilber in der Röhre bis auf 76 ㎝ zu drücken. Wenn der atmosphärische Druck höher wird, wird die Säule höher, und wenn der atmosphärische Druck niedriger wird, wird die Säule kürzer. Durch diese Schwankungen in der Höhe der Säule kann der Luftdruck gemessen werden. Dies ist das Quecksilberbarometer. Wenn Wasser, das leichter ist als Quecksilber, verwendet wird, bildet es eine Säule von etwa 10,3 m.
Sie mögen dies für ein physikalisches Phänomen halten, das für Ihr tägliches Leben irrelevant ist. Aber wie eingangs erwähnt, wirkt sich der atmosphärische Druck nicht nur auf Ihren Körper, sondern auch auf viele andere Dinge aus. Sie können nicht mit einem Strohhalm trinken, wenn kein atmosphärischer Druck vorhanden ist. Wenn Sie eine Flüssigkeit durch einen Strohhalm saugen, wird der Druck im Inneren des Strohhalms geringer. Dann wird der atmosphärische Druck außerhalb des Strohhalms relativ höher und drückt die Flüssigkeit in den Strohhalm. Kann die Flüssigkeit dann so lange gesaugt werden, wie es der Strohhalm zulässt? Das ist nur bis zu einer Höhe von etwa 10 m möglich, ganz gleich, wie stark die Saugkraft ist, weil die Flüssigkeit von der Luft gedrückt wird. Nach demselben Prinzip kann die Vakuumpumpe das Wasser nicht weiter als 10,3 m ansaugen. Wenn man mehr will, muss man einen Kompressor verwenden.
Der typische Ort, an dem wir den atmosphärischen Druck spüren können, ist das Innere eines Flugzeugs. Wenn ein Flugzeug abhebt, gewinnt es an Höhe. Dann kann es sein, dass Sie „Flugzeugohren“ haben – das Gefühl, dass Ihr Ohr taub ist oder schmerzt. Der Grund dafür ist, dass der Druck im Inneren des Körpers gleich bleibt, während der Druck in der Außenluft geringer wird. Dieser ungleiche Druck drückt das Trommelfell nach außen und verursacht Schmerzen. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt schlucken oder gähnen, wird der Muskel aktiviert, der die eustachische Röhre öffnet, die das Mittelohr mit dem Nasen-Rachen-Raum verbindet. Sobald sie geöffnet ist, kann ein kleiner Lufttropfen aus der Nase und dem Rachen in das Mittelohr gelangen, wodurch der Druck mit einem kleinen Knall abfällt.
Eine Atmosphäre (kurz: atm) ist so schwer wie der Druck, den ein 1 ㎏ schwerer Gegenstand auf die Fläche von 1 ㎠ ausübt. Wenn wir annehmen, dass die Fläche unserer Handfläche etwa 50 ㎠ groß ist, beträgt das Gewicht der Luft, die wir mit unserer Handfläche hochhalten, 50 ㎏. Das ist so, als ob wir jeden Tag eine Wassersäule von etwa 10 m auf unseren Schultern tragen würden. Aber warum können wir das nicht spüren? Wir spüren das Gewicht der Luft nicht, weil auf unseren Körper eine Kraft einwirkt, die genauso stark ist wie der Druck der Atmosphäre auf uns.
Wenn der atmosphärische Druck jedoch höher als 1 atm ist, spüren wir den Druck. Wenn Sie ins Wasser gehen, können Sie den Wasserdruck spüren. Pro 10 m Tiefe nimmt der Wasserdruck um 1 atm zu. Tiefseekreaturen, die in einer Tiefe von 10 ㎞ leben, halten 1.000 atm aus. Wenn ein Mensch ohne Schutzausrüstung so tief hinabsteigt, wird er platt gedrückt. Dennoch schwimmen die Tiefseetiere trotz des enormen Drucks frei im Meer herum. Das liegt daran, dass sie die Hohlräume in ihrem Körper mit Wasser oder Öl statt mit Luft füllen. Auf diese Weise können sie genügend Innendruck aufbauen, um ein Gleichgewicht mit dem Außendruck zu erreichen. Aus demselben Grund wird eine leere Eisenkugel im tiefen Wasser zerdrückt, während eine mit Wasser gefüllte Aluminiumdose nicht zerdrückt wird.
Mit einem Gerät kann ein Mensch 30 m tief tauchen. Ein Beispiel dafür ist das Gerätetauchen. Taucht er jedoch tiefer als diese Tiefe, treten spürbare Symptome auf. Bei etwa 30 m Wassertiefe erleiden Taucher eine Stickstoffnarkose, bei der sie nicht mehr richtig denken und auf Notfälle nicht mehr reagieren können, und ihr Gedächtnis wird schwächer. Je tiefer ein Taucher in das Wasser eintaucht, desto höher wird der Druck und desto mehr Luft löst sich und geht in sein Blut über. Der Stickstoff unter ihnen verursacht die narkotisierende Wirkung. Wenn er bis zu einer Tiefe von weniger als 30 m schwimmt, verschwinden diese Symptome bald.
Wenn er jedoch zu plötzlich aus dem Wasser kommt, kann die Dekompressionskrankheit, auch als Taucherkrankheit bekannt, gefährlicher sein. Wenn er schnell an die Oberfläche kommt, sinkt der Luftdruck und gelöste Gase lösen sich in Blasen im Körper. Diese Blasen lassen die Kapillaren platzen, und wenn sie wichtige Blutgefäße, z. B. im Gehirn, beschädigen, kann dies sogar zum Tod führen.
Im Gegensatz zur Tiefsee ist der atmosphärische Druck in der Höhe niedrig und der Sauerstoff dünn. Wenn ein Mensch aufsteigt, wird der Sauerstoff in seinem Körper schlagartig dünn, was zu Müdigkeit, Kopfschmerzen, Magenbeschwerden, Schwindel und in schweren Fällen zu Atemnot und Tod führt. Dies wird als Höhenkrankheit bezeichnet.
Wie sieht es weiter oben im Weltraum aus? Der Weltraum ist ein Vakuum von 0 atm. Dort existiert nur die Kraft im Inneren des Körpers, die nach außen drückt, was für den Körper gefährlich ist. Das bedeutet aber nicht, dass der Körper sofort platzt. 1965 befand sich ein Mann in einer Vakuumkammer, um einen Raumanzug bei der NASA zu testen. Versehentlich wurde der Druckschlauch abgetrennt, und der Raumanzug wurde auf einen nahezu vakuumähnlichen Druck abgesenkt. Die Person verlor innerhalb von 15 Sekunden das Bewusstsein, erlangte es aber bald wieder, nachdem der Druck in der Kammer wieder aufgebaut worden war. Später sagte er, seine letzte Erinnerung vor dem Ohnmachtsanfall sei gewesen, dass der Speichel auf seiner Zunge zu kochen begann. Dank der Haut, die seinen Körper bedeckte, konnte er die Vakuumbedingungen für kurze Zeit überleben, aber es muss wirklich ein beängstigender Moment gewesen sein.
Wenn ein ungeschützter menschlicher Körper dem Vakuum ausgesetzt wird, merkt er als erstes den Sauerstoffmangel, und nach einer Weile verliert er das Bewusstsein. Seine Haut und das darunter liegende Gewebe beginnen anzuschwellen, da das Wasser im Körper aufgrund des fehlenden atmosphärischen Drucks und der Senkung des Siedepunkts zu verdampfen beginnt. Und schließlich wird sein Körper gefrieren. Aus diesen Gründen tragen die Astronauten die Einheit für extravehikuläre Mobilität [Extravehicular Mobility Unit], wenn sie sich außerhalb des Raumschiffs bewegen müssen, auch wenn sie unbequem und unpraktisch aussieht. Der Innendruck der EMU liegt bei etwa 0,3 atm, was niedriger ist als der normale Atmosphärendruck (1 atm). Sie müssen sich also an die neue Umgebung anpassen, indem sie den Luftdruck im Inneren des Raumschiffs senken, bevor sie einen Weltraumspaziergang unternehmen.
Der Mars, der der Erde am nächsten gelegene Planet, besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, und sein Atmosphärendruck beträgt etwa 0,01 atm. Der Druck der Venusatmosphäre beträgt dagegen 90 atm, und der Planet besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, das viel dichter und heißer ist als das der Erde. Es ist, als ob mehr als 900 Tonnen auf 1 ㎡ drücken würden. Der Luftdruck der Erde beträgt 1 atm, und ihre Atmosphäre besteht aus Gasen, die für unser Leben unverzichtbar sind. Trotz des Gewichts der Luft leben wir, ohne irgendwelche Unannehmlichkeiten zu spüren. Was sagen uns die Lebewesen, die geschaffen wurden, um die perfekte Menge und das perfekte Gewicht der Atmosphäre zu ertragen?
… Als er dem Wind sein Gewicht gegeben … Hiob 28,23-25
- Quellenangabe
- Science Teachers Association, 101 Questions Even Science Teachers Are Curious About (auf Koreanisch, 과학선생님도 궁금한 101가지 과학질문사전), Book Mentor, 2010
- Kim Tae-il, Living Science Lehrbuch (auf Koreanisch, 살아있는 과학 교과서), Humanist, 2011