Ergänzendes
2014-03-15

Die Erdatmosphäre

Vertikaler Aufbau der Atmosphäre

Aufbau der Atmosphäre
Aufbau der Atmosphäre (Quelle unbekannt)

 

Troposphäre

Die Troposphäre reicht bis in 10 - 12 km Höhe. In ihr spielen sich alle wetterrelevanten Phänomene, wie z.B. die Wolkenbildung, ab. Physikalisch ist sie durch eine mittlere stetige Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe gekennzeichnet. Die obere Grenze der Troposphäre ist die Tropopause. Die Lage der Tropopause ist stark von der geographischen Breite und der Jahreszeit abhängig. Sie erreicht ihr Maximum von 17 - 18 km über den Tropen. Über den Polen beträgt sie nur ca. 8 km. Die Troposphäre enthält 80 % der Masse der gesamten Atmosphäre. Die Troposphäre enthält auch fast den gesamten Wasserdampf der Atmosphäre. In ihrer untersten Schicht, der 1 - 2,5 km mächtigen planetarischen Grenzschicht bewirkt der Einfluß der Erdoberfläche starke Veränderungen der meteorologischen Parameter Temperatur, Wind und Feuchtigkeit. In der Höhe der Tropopause liegt die Temperatur bei etwa -60 °C. Hier treten auch die sogenannten Strahlströme (engl. jet streams) als relativ schmale Bänder mit sehr hohen Windgeschwindigkeiten (bis 500 km/h) auf. Im Bereich dieser Strahlströme laufen ständig wichtige Prozesse ab, die zu einer vertikalen Aufspaltung, Auflösung oder Neubildung der Tropopause führen.

 

Stratosphäre

Die Stratosphäre (12 - 50 km) schließt nach oben an die Troposphäre an. Charakteristisch ist der deutliche Anstieg der Ozonkonzentration mit einem Maximum in etwa 30 km Höhe. Auch die Temperatur steigt in dieser Sphäre wieder an und liegt in 50 km Höhe bei ca. 0°C. Diese Erwärmung wird wesentlich durch das Ozon verursacht, welches der kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung absorbiert. Deshalb ist die Ozonschicht für das Leben auf der Erde von größter Wichtigkeit. Die Stratosphäre ist praktisch wolkenfrei, da wegen der extrem niedrigen Temperaturen in der Tropopause auch der Transport von Wasserdampf aus der Troposphäre in die Stratosphäre so gering ist, dass die Stratosphäre praktisch keinen Wasserdampf enthält. Die Stratosphäre läßt sich in eine untere Stratosphäre unterteilen, die eine gleichbleibende Temperatur von -56 °C besitzt und einer oberen Stratosphäre oberhalb von 20 km Höhe. Hier steigt infolge der Strahlungsabsorption die Temperatur bis auf durchschnittlich 0 °C an. Wegen dieses Temperaturanstiegs mit der Höhe (vergleichbar mit einer Inversionswetterlage), finden Vertikalbewegungen nur sehr begrenzt statt. In den unteren 30 km der Atmosphäre konzentrieren sich nahezu 99% der gesamtem Masse der Atmosphäre.

 

Mesosphäre

Die Mesosphäre (50 - 85 km) ist wieder durch eine stetige Temperaturabnahme gekennzeichnet, die ihr Minimum mit fast -100 °C in ca. 80 km Höhe erreicht. Dies ist gleichzeitig die obere Grenze der Mesosphäre.

 

Thermosphäre

In der Thermosphäre (85 - 500 km) lassen sich wegen der geringen Teilchendichte praktisch keine Temperaturen sondern nur Strahlungsenergien bestimmen.

 

Exosphäre

Die Exosphäre (> 500 km) schließt sich je nach Definition in 500 - 1000 km Höhe an. Hier ist der Druck bereits so niedrig, daß von einem Vakuum gesprochen werden kann.

 

Andere Gliederungsmöglichkeiten

Neben der obigen Differenzierung, die auf dem Temperaturgradienten beruht, kann je nach Betrachtung der Atmosphäre auch eine Einteilung nach anderen Kriterien gefunden werden.

 

Ionisierung

Der Grad der Ionisierung gliedert die Atmosphäre in die Neutrosphäre, die sich vom Boden bis in etwa 80 km Höhe erstreckt, die Ionosphäre von 80 - 1000 km und die Protonosphäre. Oberhalb der Stratosphäre gibt es kein Ozon, daß die energiereiche Strahlung der Sonne absorbieren könnte, daher stellt sich in charakteristischen Schichtungen ein hoher Ionisierungsgrad ein, die Ionosphäre wird in D (80 - 100 km), E (um 100 km) und F-Schichten (F1: 150 - 250 km; F2: 250 - 500 km) unterteilt, die insbesondere in der Nachrichtentechnik eine wichtige Rolle spielen, da an diesen Schichten Radiowellen (Kurzwelle) reflektiert werden. Darüber, schon in der Exosphäre, findet man nur noch ionisierte Wasserstoffatome, also Protonen, die dieser Sphäre ihren Namen geben.

 

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung der Atmosphäre ist ein weiteres Unterscheidungskriterium. Die untere Atmosphäre ist bis auf wenige Ausnahmen gut durchmischt und wird daher als Homosphäre bezeichnet. In der Homosphäre befindet sich die überwiegende Masse der Atmosphäre, nämlich über 100 000 mal so viel wie in dem gesamten darüber liegenden Teil der Gashülle. Ab etwa 80 bis 100 km Höhe erfolgt eine Ausrichtung nach dem Molekulargewicht, mit dem Höchsten unten und dem Niedrigsten oben. Diesen Bereich nennt man Heterosphäre.

 

Reibung

Die Reibung in der Atmosphäre ist ebenfalls ein Unterscheidungsmerkmal. Es wird die Peplosphäre von der freien Atmosphäre unterschieden. Die Peplosphäre reicht je nach Orographie (beschreibende Darstellung des Reliefs der Erdoberfläche) bis in ca. 2 km Höhe. Bekannter ist die Bezeichnung Grenzschicht, oder englisch boundary-layer.

 

Die Zusammensetzung der Atmosphäre

Die atmosphärische Luft der Erde ist ein Gasgemisch mit den Hauptbestandteilen Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid. Weiterhin sind Spuren der Edelgase Helium, Neon, Krypton und Xenon enthalten. Bis zu einer Höhe von rund 20 km ist fast stets Wasserdampf in stark schwankenden Anteilen (bis zu 4 Vol.-%) in der Luft enthalten.

 

Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre Volumenanteil in % in ppm (parts per million)
Anteile pro Million
Stickstoff 78,08      780 800    
Sauerstoff 20,95      209 500    
Argon 0,934          9 340    
Kohlendioxid 0,035     350    
Neon 0,0018    18    
Helium 0,0005    5    
Methan 0,00017   1,7  
Krypton 0,0001    1    
Xenon 0,000009  0,09 
Wasserstoff 0,00005   0,5  
Stickstoffmonoxid 0,00003   0,3  
Kohlenmonoxid* 0,00002   0,2  

*Kohlenmonoxid zeigt starke zeitliche Schwankungen

 

Weiterhin enthält die Atmosphäre noch Spurengase wie Schwefel- und Stickstoffbverbindungen (Schwefeldioxid, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid), Ozon, organische Halogenverbindungen und in der Atmosphäre erzeugte Radikale. Die Lufthülle enthält außerdem noch feste und flüssige Teilchen unterschiedlicher Natur und Herkunft als Schwebeteilchen, Staubpartikel und Aerosole.

Der Anteil Wasser in der Atmosphäre, der wie gesagt bis zu 4 % beträgt, kommt in allen Aggregatzuständen in der Atmosphäre vor. Bis zu 80 % der Gesamtmenge des Wassers in der Atmosphäre sind unterhalb von 3000 m Höhe. In der Stratosphäre fehlt Wasser mit 1 - 10 ppb (parts per billion; Anteile pro Milliarde) fast völlig. Trotz dieser vergleichsweise geringen Mengen spielt das Wasser in der Atmosphäre eine besonders wichtige Rolle. Infolge von Phasenwechsel zwischen gasförmig, flüssig und fest ist es an Energieumsetzungen und damit auch an der Wetterentwicklung wesentlich beteiligt. Auf Grund der Adsorptionseigenschaften im Infrarotbereich ist Wasser für die Erwärmung der Erdatmosphäre von grosser Bedeutung.

 

Die Funktionen der Atmosphäre

  • Schutz der Lebewesen vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne).
  • Durchlassen von lebenswichtigem Sonnenlicht zu den Oberflächen der Kontinente und Ozeane (Energiequelle).
  • Schutz vor schneller Auskühlung und Überhitzung (z.B. Wärmeausgleich zwischen Tag und Nacht).
  • Ermöglicht eine durchschnittliche Erdoberflächentemperatur von ca. + 15 °C anstatt -18 °C.
  • Transport von Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des Wasserdampfs) aus Bereichen in Äquatornähe in mittlere und höhere Breiten.
  • Transport von Wasserdampf-Feuchtigkeit durch die dynamischen Prozesse der allgemeinen Zirkulation, wodurch die Niederschlagsverteilung bestimmt wird.
  • Hauptspeicher für Stickstoff (Für Pflanzen wichtig).
  • Reservoir für Kohlendioxid und Sauerstoff.
  • Ist einbezogen in verschiedene lebensnotwendige Stoffkreisläufe.
  • Verteilung und Abbau (Oxidation, Reaktionen mit Radikalen, Photolyse) von natürlichen und anthropogenen (durch Menschen verursachte) Emissionen.
  • Schutz vor kleineren Meteoriten, die wegen der großen Reibung beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und die Erdoberfläche nicht erreichen.
 Die schützende Atmosphäre ist im Vergleich zum Durchmesser der Erde nur hauchdünn (Quelle: NASA)
Die schützende Atmosphäre ist im Vergleich zum Durchmesser der Erde nur hauchdünn