Aus verschiedenen Gründen wollen manche Aquarianer ihre Aquarien belüften. Üblicherweise wird damit eine Anreicherung mit Sauerstoff bezweckt.
Die Meinungen über Sinn oder Unsinn dieser Maßnahme sind divergent und sollen hier auch nicht Thema sein.
Sehr oft wird übersehen, dass Sauerstoff nur einen Volumenanteil von etwa 21% am Gasgemisch Luft hat und dass der Gasaustausch alle in der Luft enthaltenen Gase betrifft.
Luftsprudeln im Aquarium – Die Wirkmechanismen
Das Gasgleichgewicht:
Grundlage des Gasaustausches ist das Henry-Gesetz.
Das besagt im Wesentlichen, dass die Einzelgase der Luft im Verhältnis ihrer Partialdrücke im Wasser gelöst sind.
Das ist das Sättigungsgleichgewicht bei Fehlen anderer Einflüsse.
Gas | Partialdruck in der Luft | Konzentration im Wasser |
Sauerstoff O2 | 212,28 mbar | 8,2 mg/l |
Kohlendioxid CO2 | 0,39 mbar | 0,61 mg/l |
Nun ist ein Aquarium ein Ort stetiger zumeist biologischer Stoffumwandlung. Die meisten Prozesse – von Fischatmung bis Nitrifikation – verbrauchen Sauerstoff und produzieren Kohlendioxid.
Die Fotosynthese der Pflanzen wiederum verbraucht Kohlendioxid und produziert Sauerstoff (in Summe gesehen).
Daraus und aus dem unvermeidlichen Kontakt mit der Luft stellt sich ein “aquaristisches Gasgleichgewicht” ein, das vom Sättigungsgleichgewicht divergiert.
Nach Meinung von Fachleuten und eigenen Messungen weisen viele Aquarien folgende Gaskonzentrationen auf:
Gas | im Aquarium | Durchschnitt |
Sauerstoff O2 | 6-8 mg/l | 7 mg/l |
Kohlendioxid CO2 | 4-8 mg/l | 6 mg/l |
Nun stellen wir dem “aquaristisches Gasgleichgewicht” das Sättigungsgleichgewicht gegenüber:
Gas | Aquarium | Sättigung | Koeffizient |
Sauerstoff | 7 mg/l | 8,2 mg/l | 0,85 |
Kohlendioxid CO2 | 6 mg/l | 0,61 mg/l | 9,83 |
Der Sauerstoffgehalt ist somit nahe der Sättigung und das Wasser nur gering untersättigt.
Der Kohlendioxidgehalt ist um den Faktor 10 höher und das Wasser deutlich übersättigt.
Die Natur strebt immer das Gleichgewicht an, je größer die Differenz umso intensiver.
Bei Belüftung findet jedenfalls eine geringfügig bessere Sättigung des Wassers mit Sauerstoff statt, bei gleichzeitiger deutlicherer Entsättigung mit Kohlendioxid.
Der Ort der Reaktion:
Im Wesentlichen ist der Gasaustausch abhängig von 2 Faktoren:
- Konzentrationsunterschied
- Größe der Austauschfläche
Landläufig ist man der Meinung, an den Gasbläschen im Wasser würde der Gasaustausch stattfinden.
Der Gedanke ist naheliegend, kritische Geister haben das aber hinterfragt.
Um der Sache auf den Grund zu gehen sehen wir uns ein paar Zahlen aus der aquaristischen Praxis an.
Nehmen wir beispielhaft ein Standardaquarium mit 112 Liter und den Maßen 80*35*40cm.
Dazu eine handelsübliche Membranpumpe mit einem üblichen Ausströmer aus porösem Kunststoff.
Die vorliegende Pumpe ist ein älteres Modell, eine Elite 799. Laut Typenschild leistet sie 30 l/h. Membranpumpen sind Verdrängerpumpen, sie haben keine Kennlinie wie Strömungspumpen und fördern den nominellen Durchsatz konstant bis zum maximalen Druck.
Der Ausströmer ist also 40cm unter Wasser. Messungen zeigen, dass die Luftbläschen etwa 2 Sekunden brauchen bis zur Wasseroberfläche.
(30l/h / 3600) * 2s = 0,017 l
Zu jedem Zeitpunkt befindet sich also eine Luftmenge von 0,017 l im Wasser, das sind 17 000 mm3.
Die Luftbläschen haben geschätzt einen Durchmesser von 1mm.
Das Volumen einer Kugel errechnet sich aus V=(Pi/6)*d3
Die Oberfläche einer Kugel errechnet sich aus O=Pi*d2
Daraus ergibt sich jetzt das Volumen eines einzelnen Luftbläschens mit V=(3,14/6)*13)=0,52mm3
Im Wasser befinden sich also stets 17000/0,52=32692 Luftbläschen.
Was uns das sagt sehen wir gleich.
Die Oberfläche eines Luftbläschens ist O=3,14*12=3,14mm2
Mit 3,14mm2*32692=102 652mm2 ergibt sich die Gesamtoberfläche der im Wasser befindlichen Luftbläschen.
Die Oberfläche des 112l-Aquariums ist 35cm*80cm= 2800cm2=280 000mm2
102 652 / 280 000 =0, 54
Im Beispiel vergrößert sich die reaktive Oberfläche um etwa 50%.
Updated 9. Februar 2022 by KRH
Das sind nachvollziehbare und einleuchtende Berechnungen.
Allerdings ist damit die “kritisch hinterfragte” Behauptung, der Gasaustausch würde an den Gasbläschen stattfinden, weder bestätigt noch widerlegt!
Okay, die Gasblasen bringen eine 50 %ige Erhöhung der Oberfläche. Aber deswegen kann trotzdem ein Gasaustausch zwischen AQ-Wasser und Gasblasen stattfinden.
Was mich interessieren würde, ist eine Modellierung der wellenbewegten Wasseroberfläche. Um welchen Faktor erhöht sich die Oberfläche, wenn der Ausströmer eine wellenförmige Bewegung der Wasseroberfläche verursacht?