Die Atmosphäre als Hülle der Erde

Vom Weltraum aus betrachtet erscheint die Erde blau mit eingesprengten weißen Feldern, den Wolken.

Abb.1: Die schützende Atmosphäre ist hauchdünn im Vergleich zum Durchmesser der Erde.

Die blaue Farbe kommt durch die die Erde umhüllende Gasschicht, die Luft, zustande. In der Lufthülle wird das kurzwelligere blaue Sonnenlicht stark in alle Richtungen gestreut, während das langwelligere rote Licht weitgehend die Atmosphäre durchdringen kann. Die Atmosphäre ist für die Existenz von Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung, denn in ihr spielen sich die physikalischen Prozesse ab, die u. a. das Wettergeschehen bestimmen. Darüber hinaus ist sie Teil von lebenswichtigen Kreisläufen.

Das Klima ist die Gesamtheit der meteorologischen Erscheinungen und kennzeichnet den mittleren Zustand der Atmosphäre an irgendeiner Stelle der Erdoberfläche. Das Klima der Erde ist die Folge physikalischer Vorgänge, die in der Atmosphäre durch die Einwirkung der Sonne in Gang gesetzt werden. Der Verlauf dieser Prozesse wird wesentlich durch die Erdrotation (Coriolis-Kraft), die geographische Breite, die Verteilung von Festland und Meer, Meeresströmungen, aber auch durch die Geländeoberfläche, Vegetation, Bebauung und andere geophysikalische Faktoren mitbestimmt.

Funktionen der Atmosphäre

Die Atmosphäre hat eine Reihe lebenswichtiger Funktionen, indem sie

1. die Lebewesen vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum schützt (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne),
2. lebensnotwendiges Sonnenlicht zu den Oberflächen der Kontinente und Ozeane durchlässt (Energiequelle),
3. vor schneller Auskühlung und Überhitzung schützt (z.B.Wärmeausgleich zwischen Tag und Tag),
4. die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde von ca. +15 °C, gegenüber sonst ca. -18 °C, ermöglicht,
5. Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des Wasserdampfs) aus Bereichen in Äquatornähe zu mittleren und höheren Breiten transportiert),
6. Wasserdampf-Feuchtigkeit durch die dynamischen Prozesse der allgemeine Zirkulation transportiert und verteilt, wodurch die Niederschlagsverteilung bestimmt wird,
7. den Hauptspeicher für Stickstoff bildet,
8. ein Reservoir für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff darstellt.
9. einbezogen ist in verschiedene lebensnotwendigen Stoffkreisläufe,
10. natürliche und anthropogene (durch Menschen verursacht) Emissionen verteilt, die in der Atmosphäre durch Oxidation, Reaktionen mit Radikalen und Photolyse umgesetzt und abgebaut werden und
11. vor kleineren Meteoriten schützt, die wegen der großen Reibung beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und so die Erdoberfläche nicht erreichen.

Aufbau der Atmosphäre

Allgemeines
Die Gesamt-Luftmasse der Erdatmosphäre beträgt 5,13 · 1015 t, d. h. ein Dreihundertstel der Wassermasse der Ozeane bzw. ca. ein Millionstel der Erdmasse. Sie umgibt die Erde als dünne Hülle. Die Schichtdicke der Atmosphäre bis zur Obergrenze der Stratosphäre (50 km) beträgt weniger als 1 % des Erdradius (6 378 km). Der Luftdruck in 50 km Höhe beträgt rund ein Zweitausendstel des Druckes auf der Erdoberfläche (etwa 2 hPa).

Die Existenz der gasförmigen Lufthülle um die Erde beruht darauf, dass ein Gleichgewicht zwischen der Gravitation (Schwerkraft) und den Eigenbewegungen der Moleküle bzw. Atome besteht.

Die Gravitation hält, wie alle übrigen Massen, auch die Gase an der Erde fest. Infolge der Eigenbewegungen der Gasteilchen würden sie sich sonst durch Diffusion rasch in den Weltraum verflüchtigen. Gasmoleküle mit kleinen Massen erreichen bei geringen Drücken - etwa oberhalb der Thermosphäre - und bei gleicher Temperatur höhere Geschwindigkeiten und haben damit eine größere Wahrscheinlichkeit, gegen die Erdanziehung in den Weltraum zu entweichen, als Gasmoleküle mit großen Massen.

Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck, und damit auch die Dichte, stetig ab. in Erdnähe nach einer Exponentialfunktion (der barometrischen Höhenformel), bis die Atmosphäre allmählich (Größenordnung: 1000 km) in den materiearmen Weltraum übergeht. Die aus der Energieverteilung für die Bewegung der Gasmoleküle abgeleitete barometrische Höhenformel lautet:

ph = pho · e-h/ho mit ho = 8,0 km

Es bedeuten:
ph = Druck in Höhe h
pho = Druck bei Höhe ho = 0 m (NN) und 273 K
pho = 1013 hPa
h = Höhe in km über dem Meeresspiegel

Die Halbwertshöhe der Exponentialfunktion beträgt 5,5 km. Das heißt: Der Druck nimmt bei konstanter Temperatur alle 5,5 km auf jeweils etwa die Hälfte seines vorherigen Wertes ab. Für genauere Rechnungen muss noch die Temperatur berücksichtigt werden. In 18 km Höhe beträgt der Luftdruck nur noch ein Zehntel, in 55 km ein Tausendstel und in 110 km nur noch ein Millionstel des Bodenwertes.

Oberhalb der Thermosphäre, in der Exosphäre, wird die Dichte extrem gering; Luftdruck und Dichte sind einander proportional. Gasteilchen, genau genommen nur die leichtesten Gase Wasserstoff und Helium, können aufgrund ihrer hohen
mittleren Bewegungsenergie und ihrer geringen Masse aus dem Schwerefeld der Erde entweichen.

In einer Höhe von 3600 km ist die Atmosphäre (Exosphäre) bereits so dünn, dass die über demÄquator befindlichen geostationären Satelliten praktisch reibungsfrei jahrelang ohne Korrektur gehalten werden können.

Gliederung der Atmosphäre

Es gibt mehrere Möglichkeiten. die Atmosphäre aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und Vorgänge zu gliedern. Üblich sind Einteilungen nach:

- dem Temperaturverlauf in Troposphäre, Stratosphäre, Thermosphäre und Exosphäre,
- der Zusammensetzung der Luft in Homosphäre und Heterosphäre und
- dem Ionisierungsgrad der Gasteilchen in Neutrosphäre und Ionosphäre.

Für das Leben auf der Erde ist vor allem die Troposphäre wichtig. Deshalb sind auch die Ausführungen der folgenden Kapitel hauptsächlich auf die Troposphäre beschränkt.

Gliederung nach der Zusammensetzung
Die prozentuale Zusammensetzung der Atmosphäre mit chemisch stabilen Bestandteilen, wie molekularem Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Edelgasen und annähernd auch Sauerstoff, ist in den unteren Schichten bis zu einer Höhe von 80 km infolge der Durchmischung durch die horizontalen und vertikalen Luftbewegungen nahezu gleichförmig (Homosphäre). In der Homosphäre befindet sich die überwiegende Masse der Atmosphäre, nämlich etwa 100 000 mal so viel wie in dem gesamten darüber liegenden Teil der Gashülle.

In der sich nach oben anschließenden Heterosphäre beginnt die Aufteilung der Gase aufgrund ihrer unterschiedlichen molaren Massen. Mit zunehmender Höhe bleiben schließlich nur noch die leichtesten Gase, Wasserstoff und Helium, übrig.

Gliederung nach der Temperatur
Die Atmosphäre zeigt neben der bekannten horizontalen Temperaturverteilung (am Äquator herrscht eine andere Temperatur als an den Polen), auch eine ausgeprägte vertikale Temperaturverteilung, die durch verschiedene miteinander gekoppelte physikalische und chemische Prozesse bestimmt wird und für den Transport der Luft und ihrer Bestandteile von großer Bedeutung ist.

Abb.2: Vertikales Temperaturprofil und dadurch verursachte Schichtung unserer Erde.

Die vertikale Verteilung der Temperatur zeigt einen charakteristischen Verlauf, der überall auf der Erde beobachtet werden kann. Aufgrund der Temperaturverteilung kann die Atmosphäre in fünf Schichten mit folgenden mittleren Höhenwerten unterteilt werden:

Troposphäre Stratosphäre Mesospäre Thermosphäre Exosphäre | 0 bis 12 km 12 bis 50 km 50 bis 85 km 85 bis 500 km über 500 km

Die aus der Abb. 2 ersichtlichen Wendepunkte des vertikalen Temperaturverlaufes werden in aufsteigender Reihenfolge als

- Tropopause
- Stratopause
- Mesopause

bezeichnet.

Oberhalb der Tropo- und Mesopause liegt wärmere über kälterer Luft, wie es auch bei den gelegentlich in Erdbodennähe auftretenden Inversionswetterlagen beobachtet wird, bei denen ebenso der Austauschzwischen warmer Bodenluft und kalter Luft darüber stark erschwert wird. So kühlt sich in der Troposphäre aufsteigende Luft stark ab (um 6,5 °C auf 1000 m) und kann dann - entsprechend der stark vereinfacht geschilderten Darstellung - nicht in die darüber liegende wärmere Stratosphäre gelangen.

Die Lage der Tropopause ist sehr stark von der geographischen Breite und der Jahreszeit abhängig. Sie erreicht ihr Maximum von 17 -18 km über den Tropen. An den Polen beträgt sie nur ca. 8 km. Die Troposphäre enthält 80 % der Masse der gesamten Atmosphäre. Sie ist die Schicht, in der sich das Wettergeschehen mit Wolken- und Niederschlagsbildung sowie lebhaften Durchmischungen abspielt. Die Troposphäre enthält fast den gesamten Wasserdampf der Atmosphäre. In ihrer untersten Schicht, der 1 bis 2,5 km mächtigen planetarischen Grenzschicht (siehe Abb. 4), 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 auf (bis 500 km/h). Im Bereich dieser Strahlströme laufen ständig wichtige Prozesse ab, die zu einer vertikalen Aufspaltung, Auflösung oder Neubildung der Tropopause führen.

Oberhalb der Tropopause, in der Stratosphäre, steigt die Temperatur wieder an. Diese Ewärmung wird wesentlich durch das dort vorhandene Ozon verursacht, welches den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung absorbiert. Die Ozonschicht ist deshalb für das Leben auf der Erde von größter Wichtigkeit. Die Stratosphäre ist praktisch wolkenfrei. Dies liegt daran, dass 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 unterteilen in

- eine untere Stratosphäre mit etwa gleichbleibender Temperatur um -56 °C (Isothermie) und
- eine obere Stratosphäre oberhalb 20 km Höhe, in der die Temperatur infolge der Strahlungsabsorption bis auf Werte von
durchschnittlich 0 °C ansteigt. Wegen dieses Temperaturanstiegs mit der Höhe finden Vertikalbewegungen nur begrenzt statt.

Oberhalb der Stratosphäre beginnt die Mesosphäre. In den nächsten 30 km sinkt die Temperatur von ungefähr 0 °C auf fast -100 °C ab.

An die Mesosphäre schließt sich die Thermosphäre an. In ihr lassen sich wegen der geringen Teilchendichte praktisch keine Temperaturen, sondern nur Strahlungsenergien bestimmen.

Oberhalb von 500 km beginnt die Exosphäre, in der die Raumstationen positioniert werden.

Gliederung nach dem Ionisierungsgrad
Unter Berücksichtigung des Ionisierungszustandes der Luft kann die Atmosphäre auch in eine Neutrosphäre (bis etwa 80 km Höhe) und in eine Ionosphäre (oberhalb 80 km bis etwa 1000 bis 2000 km Höhe) unterteilt werden. Innerhalb der Ionosphäre liegt die Thermosphäre.

Oberhalb 80 km wird die Atmosphäre unter dem Einfluss der ultravioletten Sonnen- bzw. energiereichen kosmetischen Strahlung stark verändert.

Die in der tiefen Atmosphäre als zwei- und mehratomige Moleküle auftretenden Gase werden in der Ionosphäre teilweise durch die energiereiche Sonnenstrahlung (UV- und Höhenstrahlung) in Atome und weiter in Ionen und Elektronen gespalten, d. h. ionisiert. Die energiereichen Strahlen, die für alles Leben tödlich bzw. schädlich sind, werden dabei herausgefiltert. Nur so ist Leben auf der Erde möglich. Aufgrund der Ionisation der verschiedenen Bestandteile der Atmosphäre durch Strahlung ganz verschiedener Spektralbereiche bilden sich mehrere Schichten der Elektronenkonzentration in der hohen Atmosphäre aus.

Die Ionosphäre wird in Zwischenschichten aufgeteilt, die elektromagnetische Wellen reflektieren können. Diese Schichten der Ionosphäre haben eine große Bedeutung für die weltweite Ausbreitung von Radio-(Kurz-)Wellen.