Warum ist die Schallgeschwindigkeit so langsam?

Schall in der Luft ist eine Druckwelle: Ein Bereich leicht komprimierter Luft drückt auf die Luft daneben, diese auf die nächste und so weiter. Nichts bewegt sich fort außer der Störung selbst. Die Geschwindigkeit, mit der sie sich ausbreitet, hängt davon ab, wie schnell Moleküle einen Stoß weitergeben können, und das wird dadurch begrenzt, wie schnell sich die Moleküle selbst zwischen den Stößen bewegen. In Luft bei Raumtemperatur liegt die mittlere Molekülgeschwindigkeit bei etwa 500 m/s, und die daraus resultierende Schallgeschwindigkeit beträgt 343 m/s – etwas niedriger, weil Energie auf mehrere Formen der Molekülbewegung verteilt wird. Für ein Gas lautet die Formel Quadratwurzel aus γRT/M: Sie hängt von der Temperatur, der Molekülmasse und dem Verhältnis der spezifischen Wärmen ab – von nichts anderem. Druck und Höhe allein spielen keine Rolle.

Wärmere Luft bedeutet schnellere Moleküle und schnelleren Schall. Deshalb sinkt die Schallgeschwindigkeit mit der Höhe in der unteren Atmosphäre – nicht weil die Luft dünner wird, sondern weil sie kälter wird. In der internationalen Standardatmosphäre fällt sie von 340 m/s auf Meereshöhe (15 °C) auf 295 m/s in 11 km Höhe (−56,5 °C) und bleibt dann in der unteren Stratosphäre konstant, wo die Temperatur gleichbleibend ist. Für die Luftfahrt hat das eine praktische Folge: Ein Flugzeug mit fester wahrer Fluggeschwindigkeit erreicht mit zunehmender Höhe eine höhere Machzahl, weshalb Linienflugzeuge ihre Reiseflug-Machzahlgrenze erst in großer Höhe erreichen. Leichtere Gase übertragen Schall schneller; in Helium liegt sie bei fast 1.000 m/s, weshalb die Stimme nach dem Einatmen von Helium hoch klingt.

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Es braucht kein Medium und breitet sich mit 299.792 km/s aus, fast 900.000-mal schneller als Schall in Luft. Das erklärt den Unterschied zwischen dem Sehen des Blitzes und dem drei Sekunden später pro Kilometer Entfernung gehörten Donner. Dichtere, steifere Medien geben einen Stoß effizienter weiter: Schall bewegt sich in Wasser mit etwa 1.480 m/s und in Stahl mit rund 5.900 m/s, weil die Moleküle fest aneinander gebunden sind und fast wie eine Einheit reagieren statt durch zufällige Stöße.

Im menschlichen Maßstab ist 343 m/s nicht langsam: Das sind 1.235 km/h, etwa die Geschwindigkeit einer Gewehrkugel. Langsam wirkt es nur im Vergleich zu Licht oder zu modernen Flugzeugen. Das schnellste bemannte, luftatmende Flugzeug, die SR-71, flog im Reiseflug mit mehr als dreifacher Schallgeschwindigkeit, und wiedereintretende Raumfahrzeuge übertreffen sie um mehr als das Zwanzigfache. Die Schallgeschwindigkeit ist nur in dem Sinne langsam, dass die Technik gelernt hat, sie zu überholen.