Erdatmosphäre

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Abbildung 1: Aufbau der Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre (von griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“), die Atmosphäre der Erde, ist die gasförmige Hülle oberhalb der Erdoberfläche. Sie stellt eine der Geosphären dar und ihr Gasgemisch ist durch einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse geprägt. Eine Darstellung der Konzentration der Atmosphärengase sowie deren Charakteristika bietet der Artikel Luft.

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammensetzung
2 Entwicklung
3 Aufbau und Gradienten
- 3.1 Grenze zum Weltraum
4 Erforschung
5 Siehe auch
6 Weblinks
7 Quellen

[Bearbeiten] Zusammensetzung

Die Erdatmosphäre aus dem Weltraum betrachtet

Die bodennahen Schichten bis in etwa 90 km Höhe haben eine recht gleichförmige Zusammensetzung, weshalb dieser Abschnitt auch als Homosphäre bezeichnet wird. Was wir als Luft bezeichnen, besteht im Wesentlichen aus 78,084 % Stickstoff, 20,946 % Sauerstoff, 0,934 % Argon und anderen Edelgasen. Der Kohlendioxid-Gehalt beträgt nur 0,038 %, ist aber neben dem Wasserdampf der wichtigste Verursacher des natürlichen Treibhauseffektes, ohne den es auf der Erde bedeutend kälter wäre ^[1].

Die oberen Schichten bestehen aus sehr dünnem Gas, das nicht mehr in Molekülen, sondern in Atomen und Ionen vorliegt (daher der Name Ionosphäre). Dies liegt daran, dass die von der Sonne eingestrahlte hochenergetische Strahlung die Moleküle dissoziieren lässt, die so entstehenden Ionen aber erst nach längerer Zeit auf einen Partner treffen. Ferner kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb sich mit zunehmender Höhe leichtere Gase wie Wasserstoff konzentrieren. Diese sind unter Umständen auch in der Lage in den Weltraum zu entweichen, was sich jedoch aufgrund der extrem dünnen Atmosphäre in diesen Höhen und den dadurch sehr geringen Masseverlusten mit dem Eintrag beispielsweise durch den Sonnenwind ausgleicht.

Für die Entstehung des Wetters ist neben der Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung hauptsächlich der Gehalt an Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 % Vol. bis etwa 4 % Vol. in der Luft vor.

[Bearbeiten] Entwicklung

Der Vulkanismus als wesentlicher Einflussfaktor der Atmosphärenentwicklung

Hauptartikel: Entwicklung der Erdatmosphäre

Entwicklung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 100 Millionen Jahre mit einer Prognose für die nächsten 300 Jahre

Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist ein Teil der chemischen Evolution der Erde und zudem ein wichtiges Element der Klimageschichte. Sie wird heute in vier wesentliche Entwicklungsstufen unterschieden.

Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H₂) und Helium (He) bestehende Gashülle, die jedoch wieder verloren ging.

Durch die langsame Abkühlung der Erde und den dabei auftretenden Vulkanismus kam es zu einer umfangreichen Ausgasung aus dem Erdinneren. Die dadurch erzeugte Atmosphäre bestand zu etwa 80 % aus Wasserdampf (H₂O), zu 10 % aus Kohlendioxid (CO₂) und zu 5 bis 7 % aus Schwefelwasserstoff. Dabei handelt es sich um ebenjene Produkte des Vulkanismus, wie wir sie auch heute noch beobachten können. Der hohe Anteil des Wasserdampfs erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt noch zu warm war, um Niederschläge bilden zu können. Es gab also noch keine Gewässer auf der Erde. Der eigentliche Ursprung des Wassers ist umstritten.

Nachdem die Temperatur der Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers fiel, kam es zu einem extrem langen Dauerregen, nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden.

Die hohe UV-Einstrahlung bedingte eine photochemische Zerlegung der Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und Stickstoff ansammelten. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum, vor allem Kohlendioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst. Unverändert blieb der inerte Stickstoff. Dieser sammelte sich mit der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre.

Der Sauerstoff O₂ spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung zur heutigen Atmosphäre. Die ersten oxygen photosynthetisch aktiven Cyanobakterien führten zwar beginnend vor etwa 3,5 Milliarden Jahren zu einem Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch trotz der Sauerstoffproduktion dieser Phototrophen gering. Denn Sauerstoff wurde in den Ozeanen bei der Oxidation von Eisen(II)-Ionen und Schwefelwasserstoff verbraucht und sammelte sich erst vor etwa zwei Milliarden Jahren an als die Sauerstoff-verbrauchenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Milliarde Jahren überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ein Prozent, wodurch sich wenige hundert Millionen Jahre später eine erste Ozonschicht bilden konnte. Der heutige Sauerstoffgehalt von knapp 21 % wurde schließlich vor 350 Millionen Jahren erreicht und blieb seitdem recht stabil.

[Bearbeiten] Aufbau und Gradienten

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse in Abhängigkeit von der Höhe.

Durchschnittlicher Luftdruck und Luftdichte in Abhängigkeit von der Höhe.

Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

Die Erdatmosphäre weist eine Masse von etwa 4,9 · 10¹⁸ kg auf und teilt sich in Bezug auf ihren Temperaturverlauf in mehrere Schichten ein:

Die Troposphäre von 0 km (Gebirge, Stratosphärendurchbruch) bis zwischen 7 km (Polargebiete) und 17 km (Tropen), begrenzt durch die Tropopause,
die Stratosphäre von zwischen 7 und 17 km bis 50 km, begrenzt durch die Stratopause,
die Mesosphäre von 50 km bis zwischen 80 und 85 km, begrenzt durch die Mesopause und
die Thermosphäre von zwischen 80 und 85 km bis über 640 km.
die Exosphäre von zwischen 500 und 1000 km bis etwa 100.000 km (in den interplanetaren Raum übergehend).

Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre, Stratosphäre und Mesosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und Thermosphäre und Exosphäre zusammen als obere Atmosphäre bezeichnet. Zudem zeigt sich vor allem in der Troposphäre – der Wettersphäre – eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung, weshalb dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt.

Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung wieder und es ist auch möglich, die Atmosphäre nicht nach dem Temperaturverlauf, sondern nach anderen Gesichtspunkten zu gliedern, wie

dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre:
1. Ionosphäre
2. Magnetosphäre
nach den physiko-chemischen Prozessen
1. Ozonosphäre / Ozonschicht (16-50 km)
2. Chemosphäre (20-600 km)
der Lebenszone
1. Biosphäre (0-20 km)
dem Durchmischungsgrad
1. Homosphäre (0-100 km)
2. Homopause (100-120 km)
3. Heterosphäre (>120 km)
dem aerodynamischen Zustand
1. Prandtl-Schicht (etwa 0-50 m)
2. Ekman-Schicht (etwa 50-1000 m)
3. Prandtl-Schicht + Ekman-Schicht = Planetare Grenzschicht (Peplosphäre)
4. Freie Atmosphäre (>1 km)

[Bearbeiten] Grenze zum Weltraum

Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich und man kann daher keine scharfe Obergrenze der Erdatmosphäre ziehen.

Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird daher die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km (Kármán-Linie) als Grenze angesehen, da hier mit einer Temperatur von -90 ºC und einem Luftdruck von einem Hektopascal (0,1 % des Luftdrucks auf Meereshöhe) bereits nahezu Weltraumbedingungen herrschen. Diese Definition ist international weitestgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird zum Beispiel von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert.

[Bearbeiten] Erforschung

Die untere Atmosphäre, insbesondere die Troposphäre, ist das Forschungsfeld der Meteorologie, wohingegen die mittlere und obere Atmosphäre (Stratosphäre, Mesosphäre) in den Bereich der Aerologie gehören. Messungen erfolgen in Bodennähe mit dem vollen Spektrum der meteologischen Messgeräte. In der Höhe, besonders in Bezug auf Höhenprofile, stellen Radiosonden, meteorologische Raketen, Lidars, Radars und Wetter- beziehungsweise Umweltsatelliten die wichtigsten Messverfahren dar. In der Zukunft werden voraussichtlich auch Höhenplattformen wie das High Altitude and Long Range Research Aircraft eine größere Rolle spielen.