Die Atmosphäre und der Partialdruck
Die Erdatmosphäre besteht in den unteren Schichten (Troposphäre, bis ca. 36 000 ft) aus einer ungefähr konstanten Gas-Mischung:
| Gas | Volumen-Anteil |
|---|---|
| Stickstoff (N₂) | ca. 78 % |
| Sauerstoff (O₂) | ca. 21 % |
| Argon (Ar) | ca. 0,9 % |
| Kohlendioxid (CO₂) | ca. 0,04 % |
| Andere (Wasser, Edelgase) | < 0,1 % |
Diese prozentuale Zusammensetzung bleibt konstant in der Troposphäre — was sich mit der Höhe ändert, ist der Gesamtdruck und damit der Partialdruck jedes einzelnen Gases.
Das Dalton'sche Gesetz
Dalton's Law: In einem Gasgemisch entspricht der Gesamtdruck der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase:
P_gesamt = P_N₂ + P_O₂ + P_Ar + P_CO₂ + …
Der Partialdruck eines Gases ist das Produkt aus dem Volumen-Anteil und dem Gesamtdruck:
P_x = X_x × P_gesamt
Beispiel — Sauerstoff am Meeresspiegel:
- Gesamtdruck P_total = 1 013 hPa (≈ 760 mmHg).
- O₂-Anteil 21 % → P_O₂ = 0,21 × 1 013 = 212,7 hPa (≈ 160 mmHg).
Wie sich der Partialdruck mit der Höhe ändert
Der Gesamtdruck sinkt mit der Höhe näherungsweise nach der barometrischen Höhenformel — alle 5 500 m (18 000 ft) halbiert sich der Druck.
Da der prozentuale O₂-Anteil konstant bleibt, sinkt der O₂-Partialdruck im gleichen Verhältnis wie der Gesamtdruck:
| Höhe | Gesamtdruck | P_O₂ | Hb-Sättigung |
|---|---|---|---|
| Meeresspiegel (0 ft) | 1 013 hPa | 212,7 hPa | 98 % |
| 5 000 ft (1 500 m) | 843 hPa | 177 hPa | 95 % |
| 8 000 ft (2 440 m) | 753 hPa | 158 hPa | 93 % |
| 10 000 ft (3 000 m) | 697 hPa | 146 hPa | 87 % — erste Symptome |
| 12 500 ft (3 800 m) | 624 hPa | 131 hPa | 82 % — Sauerstoff-Pflicht für Crew |
| 15 000 ft (4 600 m) | 572 hPa | 120 hPa | 80 % |
| 18 000 ft (5 500 m) | 506 hPa | 106 hPa | 72 % — halber Meeresdruck |
| 25 000 ft (7 600 m) | 376 hPa | 79 hPa | < 50 % |
| 40 000 ft (12 000 m) | 188 hPa | 39 hPa | wenige Sekunden TUC |
Konsequenzen für den Körper
O₂-Transport
- Hämoglobin (Hb) bindet O₂ nur dann, wenn der Partialdruck in der Lunge ausreichend hoch ist.
- Unter pO₂ ~140 hPa (entsprechend ca. 10 000 ft) sinkt die Hb-Sättigung merklich → Hypoxie-Symptome.
CO₂-Abatmung
- CO₂ wird unabhängig vom Außen-Partialdruck immer abgegeben (Diffusion vom Blut in die Alveolen).
- In großen Höhen kann ein Pilot durch Stress oder Aufregung hyperventilieren → pCO₂ im Blut sinkt → respiratorische Alkalose (siehe Hyperventilation-Lesson).
Aufblähung von Gasen (Boyle'sches Gesetz)
- Boyle: P × V = const → bei sinkendem Außendruck dehnen sich Gase aus.
- Eingeschlossene Gase (Mittelohr, Sinusbereich, Magen-Darm) blähen sich → Schmerzen, Trommelfelldruck.
- Siehe Dekompressionskrankheit („Bends")-Lesson für N₂-Probleme.
Verdunstungsdruck von Wasser (Armstrong-Linie)
- Bei ca. 63 000 ft (19 200 m) entspricht der Außendruck dem Wasserdampfdruck des menschlichen Körpers (47 mmHg bei 37 °C).
- Oberhalb dieser Höhe kocht das Körperwasser bei Körpertemperatur — Druckkabine oder Druckanzug zwingend nötig.
Regulatorische Schwellen
EASA Part-NCO.OP.190 und FAA FAR §91.211:
- Oberhalb 10 000 ft Kabinen-Höhe für mehr als 30 Minuten: O₂-Versorgung für die Crew empfohlen.
- Oberhalb 13 000 ft (FAA) bzw. 12 500 ft (Part-NCO): O₂ für Crew erforderlich (sofort).
- Oberhalb 15 000 ft: O₂ für alle Passagiere erforderlich.
PPL(A) ohne Druckkabine sollte daher unter 10 000 ft Kabinenhöhe operieren — fast immer der Fall in der allgemeinen VFR-Flugpraxis.