Erdatmosphäre

Erdatmosphäre, teilweise vor dem Vollmond. Aufgenommen 1999 aus der Discovery

Die Erdatmosphäre (von griechisch ἀτμός atmós ‚Dampf‘, ‚Dunst‘, ‚Hauch‘ und σφαῖρα sphaira ‚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.

Für optische Erscheinungen in der Erdatmosphäre siehe den Artikel Atmosphärische Optik.

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 (in Volumen-Prozent, trocken) im Wesentlichen aus 78,084 % Stickstoff (N₂), 20,946 % Sauerstoff (O₂) und 0,934 % Argon (Ar), dazu Aerosole und Spurengase, darunter Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit zur Zeit 0,04 %, nach Wasserdampf der wichtigste Verursacher des Treibhauseffekts, Methan (CH₄), Ozon (O₃), Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid (SO₂) und Stickstoffverbindungen.^[1]

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, siehe Luftfeuchtigkeit.

Die oberen Schichten bestehen aus sehr dünnem Gas, in das die hochenergetische Strahlung der Sonne eindringt und Moleküle dissoziiert und ionisiert. Ferner kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb mit zunehmender Höhe die Anteile leichterer Teilchen wie Wasserstoffatome und Helium zunehmen. Diese beiden Elemente entweichen mit sehr geringer Rate in den Weltraum, sowohl thermisch als auch nach Photoionisation und Ladungstransfer.

Entwicklung

Der Vulkanismus als wesentlicher Einflussfaktor der Atmosphärenentwicklung

Entwicklung des CO₂-Gehaltes in der Atmosphäre schematisch dargestellt für die letzten 417.000 Jahre

Entwicklung der CO₂-Emissionen und deren Quellen von 1800 bis 2000

Entwicklung des O₂-Gehaltes in der Atmosphäre während der letzten Jahrmilliarde

Aufbau der Erdatmosphäre

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse der Luft in Abhängigkeit von der Höhe

Durchschnittlicher Luftdruck und Luftdichte in Abhängigkeit von der Höhe

Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

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 eben jene 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 relativ anreicherten. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum. Kohlenstoffdioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst und von C-autotrophen Mikroorganismen zum Teil verbraucht. Unverändert blieb der inerte Stickstoff. Dieser wurde mit der Zeit weiter relativ angereichert 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. Oxygen photosynthetisch aktive Cyanobakterien führten als C-Autotrophe zu einem weiteren Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, bildeten aber vor allem (möglicherweise schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beginnend) Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch zunächst gering, weil der gebildete Sauerstoff in den Ozeanen bei der Oxidation von Eisen(II)-Ionen und Schwefelwasserstoff verbraucht wurde. Erst vor etwa zwei Milliarden Jahren begann Sauerstoff in die Atmosphäre zu entweichen, nämlich als die mit Sauerstoff reagierenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Milliarde Jahren überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre drei Prozent, wodurch sich im Verlauf der nächsten 400 Millionen Jahre allmählich eine erste Ozonschicht bilden konnte. Vor 500–600 Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt, bedingt durch das erste massenhafte Auftreten von Landpflanzen, rapide an und erreichte vor 350 Millionen Jahren erstmals das heutige Niveau. Nach mehreren starken Schwankungen während des Erdmittelalters pendelte sich der Luftsauerstoff schließlich auf den heutigen Wert von 21 % ein.

Aufbau und Gradienten

Die Erdatmosphäre weist eine Masse von etwa 5,15 · 10¹⁸ kg auf und teilt sich in Bezug auf ihren vertikalen Temperaturverlauf, insbesondere dessen Gradienten, in mehrere Schichten ein:

• die Troposphäre von Meereshöhe bis zwischen 7 km (Polargebiete) und 17 km (Tropen), begrenzt durch die Tropopause
• die Stratosphäre bis zur Stratopause in 50 km Höhe
• die Mesosphäre bis zur Mesopause in 80 bis 85 km Höhe
• die Thermosphäre darüber

Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre, Stratosphäre und Mesosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und die Thermosphäre 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:
  • Neutrosphäre (Gase überwiegend im neutralen, also nicht-ionisierten Zustand)
  • Ionosphäre (ionisierte Gase, in der Thermosphäre eingelagert)
  • Plasmasphäre (>1000 km, vollständige Ionisation aller Teilchen)
  • Magnetosphäre
• nach den physiko-chemischen Prozessen
  • Ozonosphäre / Ozonschicht (16–50 km)
  • Chemosphäre (20–600 km)
• dem Durchmischungsgrad: Die Homosphäre ist turbulent durchmischt und reicht bis zur Homopause in 100 bis 120 km Höhe. Darüber, in der Heterosphäre trennen sich die Teilchen nach ihrer Molmasse.
• der Geschwindigkeitsverteilung: In der Exosphäre, oberhalb der Exobase in ~600 km Höhe, ist die mittlere freie Weglänge so groß, dass Teilchen entweichen können, falls sie mehr als Fluchtgeschwindigkeit haben.
• dem aerodynamischen Zustand
  • Prandtl-Schicht (etwa 0–50 m)
  • Ekman-Schicht (etwa 50–1000 m)
  • Prandtl-Schicht + Ekman-Schicht = Planetare Grenzschicht (Peplosphäre)
  • Freie Atmosphäre (>1 km)

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. 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.

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 meteorologischen 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.

Literatur

• Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde – eine Einführung in die Meteorologie. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-20656-6
• Kshudiram Saha: The earth’s atmosphere – its physics and dynamics. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-78426-5
• Mark Z. Jacobson: Fundamentals of atmospheric modeling. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-54865-9
• C. N. Hewitt: Handbook of atmospheric science – principles and applications. Blackwell, Malden, Mass.,2003, ISBN 0-632-05286-4
• Kristian Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht – Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Spektrum, Akad. Verl., Heidelberg 2001, ISBN 3-8274-1174-2
• Edmond Murad, Iwan P.Williams: Meteors in the earth’s atmosphere – meteoroids and cosmic dust and their interactions with the earth’s upper atmosphere. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-80431-0

Weblinks

Wiktionary: Erdatmosphäre – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Erdatmosphäre – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Erdatmosphäre (Aufbau und Bild)
• Atmosphäre – Mesosophäre
• Atmosphärenmodelle des National Space Science Data Center (englisch)
• Das Klimainformationsprojekt für Schule und Bevölkerung

Quellen

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