Erdatmosphäre

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Die Erdatmosphäre (v. griech.: ατμός atmós = Luft, Druck, Dampf + σφαίρα sfära = Kugel), die Atmosphäre der Erde, ist die gasförmige Hülle oben 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.

Entwicklung

Hauptartikel: Entwicklung der Erdatmosphäre

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

Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarde Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H₂) und Helium (He) bestehende Gashülle, die jedoch wiederholt 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 dieser Tage 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 Kälte der Atmosphäre unter den Siedegrad 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, womit sich Kohlendioxid und Stickstoff ansammelten. Die leichten Gase wie Hydrogenium oder Heliumgas verflüchtigten sich in den Weltraum, zuerst Kohlenstoffdioxid wurde in großen Überlagern in den Ozeanen gelöst. Unverändert blieb der inerte Stickstoff. Dieser sammelte sich mit der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Mrd. Jahren den Wesentlicher Bestandteil der Atmosphäre.

Der Sauerstoff O₂ spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung zur heutigen Atmosphäre. Die ersten oxygen photosynthetisch aktiven Cyanobakterien führten zwar einsetzend vor etwa 3,5 Milliarde Jahren zu einem Fallen der Kohlenstoffdioxidkonzentration, die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch trotz der Sauerstoffproduktion dieser Phototrophen gering. Denn Sauerstoff wurde in den Ozeanen bei der Oxydation von Eisen(II)-Ionen und H2S ermattet und sammelte sich erst vor etwa zwei Mrd. Jahren an als die Sauerstoff-verbrauchenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Mrd. Jahre überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ein Prozent, womit sich einige hundert Mio. Jahre später eine erste Ozonschicht bilden konnte. Der heutige Sauerstoffgehalt von knapp 21 % wurde schließlich vor 350 Mio. Jahren erreicht und blieb seither recht stabil.

Aufbau und Gradienten

Die Erdatmosphäre weist eine Masse von zirka 4,9 · 10¹⁸ kg auf und teilt sich in Beziehung auf ihren Temperaturverlauf in verschiedene Anhäufen 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 1.000 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. Zusätzlich zeigt sich zuallererst in der Troposphäre – der Wettersphäre – eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung, wieso dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt.

Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung nochmals und es ist auch möglich, die Atmosphäre nicht nach dem Temperaturverlauf, anstelle 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 (0-20km)
• dem Durchmischungsgrad
  1. Homosphäre (0-100 km)
  2. Homopause (100-120 km)
  3. Heterosphäre (>120 km)
• dem aerodynamischen Zustand
  1. Prandtl-Schicht (ca. 0-50 m)
  2. Ekman-Schicht (ca. 50-1000 m)
  3. Prandtl-Schicht + Ekman-Schicht = Planetare Grenzschicht (Peplosphäre)
  4. Freie Atmosphäre (>1 km)

Die bodennahen Anhäufen bis vage 90 km Höhe haben eine recht gleichförmige Zusammensetzung, wieso dieser Abschnitt auch als Homosphäre bezeichnet wird. Was wir als Luft bezeichnen, besteht erst einmal aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 0,93 % Argon und anderen Edelgasen. Der Kohlendioxid-Gehalt beträgt nur 0,03 %, ist aber daneben dem Wasserdampf der wichtigste Urheber des natürlichen Treibhauseffektes, ohne den es auf der Erde bedeutend kälter wäre.

Die oberen Anhäufen bestehen aus sehr dünnem Gas, das nimmer in Molekülen, an Stelle in Atomen und Ionen vorliegt (daher der Name Ionosphäre). Dies liegt daran, dass die von der Sonne eingestrahlte hochenergetische Glanz die Moleküle dissoziieren lässt, die so entstehenden Ionen aber erst nach längerer Zeit auf einen Partner treffen. Darüber hinaus kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, aus welchem Grund sich mit zunehmender Höhe leichtere Gase wie Hydrogenium konzentrieren (siehe Abbildung 2). Diese sind unter Umständen auch in der Lage in den All zu entweichen, was sich jedoch vermöge der extrem dünnen Atmosphäre in diesen Höhen und den dadurch sehr geringen Masseverlusten mit dem Eintrag z. B. durch den Sonnenwind ausgleicht.

Für die Entstehung des Wetters ist daneben 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.

Grenze zum Weltraum

Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich und man kann daher durch sich selbst keine scharfe Oberste Grenze der Erdatmosphäre ziehen.

Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird daher die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km als Grenze angesehen, da hier mit einer Kälte von -90 ºC und einem Luftdruck von einem Hektopascal (0,1 % des Luftdrucks auf Meereshöhe) schon haarscharf Weltraumbedingungen herrschen. Diese Begriffserklärung ist weltweit weitestgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird z. B. von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert.

Erforschung

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

Siehe auch

• Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre, Entwicklung der Erdatmosphäre
• Ozonschicht, Luft, Luftfeuchtigkeit
• Kohlenstoffkreislauf, Erdmagnetfeld

Weblinks

• Erdatmosphäre, Aufbau und Bild
• Atmosphäre - Mesosophäre
• Atmosphärenmodelle des National Space Science Data Center (Englisch)

(TID 223096)

(TID 354956)

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