Atmosphäre der Erde

Die Luft oberhalb der Erdoberfläche wird wissenschaftlich auch als Atmosphäre der Erde bezeichnet. Sie besteht zum größten Teil aus Stickstoff und Sauerstoff. Aber auch Edelgase, Spurengase, Wasserdampf und Partikel wie Staubteilchen und andere Aerosole gehören zu der Atmosphäre.

Die Erdatmosphäre ist von großer Bedeutung für das Wetter und das Klima auf unserem Planeten. Und auch das Leben auf der Erde könnte ohne die Atmosphäre nicht existieren.

Die Erdatmosphäre erstreckt sich über eine Höhe von mehreren Hundert Kilometern. Je nach Höhe über dem Erdboden ändern sich die physikalischen Eigenschaften, wie vor allem Druck und Temperatur. Man kann die Atmosphäre deshalb in verschiedene Schichten unterteilen, was auch als vertikale Struktur oder Aufbau der Atmosphäre bezeichnet wird.

Heute besteht die Erdatmosphäre zu etwa 78 Prozent aus Stickstoff und ca. 21 Prozent aus Sauerstoff. In der Erdgeschichte hat sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre jedoch öfters stark verändert. Dies hat jeweils zu verschiedenen, teils sehr starken Folgen und Auswirkungen auf die Biosphäre (also das Leben auf der Erde), auf das Klimasystem und auch auf andere Bereiche der Erde geführt.

Und auch heute noch verändert sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre, woraus sich auch wieder bedeutende Auswirkungen ergeben. Hier ist insbesondere der stark ansteigende Anteil von Treibhausgasen in der Atmosphäre zu nennen, welcher zum Klimawandel und zur globalen Erwärmung führt.

In diesem Artikel fassen wir die wichtigsten Informationen und Daten zur Atmosphäre der Erde zusammen. Dabei gehen wir vor allem auch auf diese Punkte und Fragen ein:

• Zusammensetzung der Erdatmosphäre
• Vertikale Struktur der Atmosphäre

Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Bezüglich der Zusammensetzung der Atmosphäre unterscheidet man meist diese drei Gruppen:

• Hauptbestandteile
• Spurengase
• Partikel

Hauptbestandteile

Die Erdatmosphäre setzt sich hauptsächlich aus diesen drei gasförmigen Bestandteilen zusammen:

• ca. 78,08 % Stickstoff
• ca. 20,95 % Sauerstoff
• ca. 0,93 % Argon (ein Edelgas)

Die obigen Prozentwerte beziehen sich auf das Volumen, sind also Volumenprozente. Da die molekularen Massen von Stickstoff, Sauerstoff und Argon stark unterschiedlich sind, ergeben sich für die Zusammensetzung in Massenprozenten andere Werte.

Spurengase

Neben den drei Hauptbestandteilen gibt es mehrere weitere gasförmige Stoffe, die sich nur in sehr geringen Anteilen in der Atmosphäre befinden. Da die drei Hauptbestandteile bereits über 99,9 % der Atmosphäre ausmachen, kann der Anteil der Spurengase nicht mehr im Prozentbereich (1: 100) liegen.

Manche Spurengase haben einen Anteil im Bereich von wenigen Promille (1:1.000), viele aber auch nur im Bereich von 1:1 Million oder noch weniger.

Auch ist der Anteil vieler dieser Spurengase sehr variabel und kann von vielen verschiedenen Faktoren abhängen (Quellen, Temperatur, Wind, Sonneneinstrahlung, Höhe über dem Erdboden etc.).

Zu den wichtigsten Spurengasen gehören:

• Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid (CO₂)
• Methan (CH₄)
• Stickstoffdioxid NO₂
• Ozon (O₃), Ozonschicht

Der Anteil der Spurengase ist also relativ gesehen sehr gering.
Doch die meisten Spurengase haben eine große Bedeutung für die Eigenschaften der Atmosphäre, das Klimasystem der Erde und auch für das Leben auf der Erde.

Wir gehen im folgenden auf die Bedeutung einiger dieser Spurengase genauer ein.

Partikel (Aerosole)

Neben den drei Hauptbestandteilen und den Spurengasen befinden sich in der Erdatmosphäre auch verschiedene flüssige und feste Partikel. Diese werden meist als Aerosole oder Aerosolpartikel bezeichnet. Diese Partikel sind oft nur wenige Nanometer groß und haben damit ein so geringes Gewicht, dass sie in der Luft schweben.

Der Begriff Aerosol bezeichnet genaugenommen das Gemisch aus einem Gas (Luft) und festen oder flüssigen Partikel. Oft verwendet man den Begriff Aerosol aber auch nur für die Partikel.

Aufbau der Erdatmosphäre

Die Atmosphäre lässt sich vertikal, also entsprechend der Höhe über dem Erdboden, in verschiedene Schichten einteilen. Die unterschiedlichen Schichten werden meistens als Sphären bezeichnet. Auch der Begriff Stockwerke der Atmosphäre wird gelegentlich verwendet.

Man unterscheidet diese 5 Sphären bzw. Schichten:

• Troposphäre
• Stratosphäre
• Mesosphäre
• Thermosphäre
• Exosphäre

Jede dieser 5 Schichten kann man sich als gasförmige Kugeln vorstellen, die sich alle über der Erdkugel und auch jeweils über den darunter liegenden Schichten befinden, ähnlich den Schalen einer Zwiebel.

In der obigen Abbildung 1 kann man die verschiedenen Schichten anhand der unterschiedlichen Farben erkennen.

In der Wissenschaft wird dieser Aufbau auch als vertikale Struktur der Atmosphäre bezeichnet. Die Forschung der letzten ca. zwei Jahrhunderte hat gezeigt, dass dieser vertikale Aufbau der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung für das Wetter, das Klimasystem und auch das Leben auf der Erde ist.

Wir gehen in den folgenden Kapiteln auf die 5 verschiedenen Schichten genauer ein. Dabei wollen wir vor allem auch diese Fragen beantworten:

• Wodurch ergibt sich diese vertikale Struktur der Erdatmosphäre?
• Wie unterscheiden sich die verschiedenen Schichten der Atmosphäre?
• Welche physikalischen und chemischen Eigenschaften ändern sich von Schicht zu Schicht?
• Welche Auswirkungen haben die Sphären für das Wetter und das Klima?

Vertikale Struktur der Atmosphäre

Woraus ergeben sich die verschiedenen Schichten der Atmosphäre?

Ein sehr wichtiger Parameter ist hier die Temperatur, denn die Temperatur ist die Größe, welche die Schichtung der Atmosphäre bewirkt.

Die folgende Abbildung zeigt das vertikale Temperaturprofil (rote Linie) für einen Höhenbereich von 0 bis 120 Kilometer.

Man sieht in Abbildung 3 deutlich, dass es Höhenbereiche gibt, für welche die Temperatur mit der Höhe abnimmt und Bereiche, für welche die Temperatur mit der Höhe zunimmt.

So nimmt zum Beispiel von 0 bis 12 km Höhe die Temperatur ab, und für den Höhenbereich von 12 bis 50 km nimmt die Temperatur zu. Ähnliches gilt für den Bereich von 50 bis 85 km (Abnahme der Temperatur) und dann wieder von 85 bis 120 km (Zunahme der Temperatur).

Es gibt also Bereiche mit negativem Temperaturgradienten und Höhenbereiche mit positivem Temperaturgradienten.

Diese unterschiedlichen Temperaturverläufe bewirken die vertikale Stuktur der Atmosphäre:

Ändert sich das Vorzeichen des Temperaturgradienten als Funktion der Höhe von positiv zu negativ (oder umgekehrt), beginnt jeweils eine neue vertikale Schicht der Atmosphäre.

Die Troposphäre

Das erste, unterste Stockwerk der Atmosphäre reicht im Mittel von etwa 0 bis ca. 12 km. Dabei variiert die obere Höhe allerdings stark mit dem Breitengrad:

• In niedrigen Breiten, nahe dem Äquator beträgt die maximale Höhe der Troposphäre etwa 16 bis 18 km.
• In den mittleren Breitengraden (ca. 30 bis 60 Grad Nord oder Süd) erreicht die Troposphäre eine Höhe von etwa 11 bis 15 km.
• In sehr hohen Breiten, nahe den Polen, ist die maximale Höhe der Troposphäre bei nur etwa 7 bis 9 km.

Temperaturverlauf

In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe ab, siehe Abbildung 3.
Der Temperaturgradient beträgt dabei im Mittel etwa – 6,5 Grad Celsius pro Kilometer.

Pro Höhenunterschied von 1.000 m nimmt die Temperatur in der Troposphäre also jeweils um ca. 6,5 Grad ab.

Tropopause

Die Troposphäre wird nach oben abgeschlossen von der Tropopause.

Die Stratosphäre

Das zweite Stockwerk der Atmosphäre reicht von der Tropopause bis zu einer Höhe von etwa 50 km.

In der Stratosphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe zu, siehe Abbildung 3.
Ursache hierfür ist das Spurengas Ozon, welches die Sonnenstrahlung im ultravioletten Bereich absorbiert.

Dadurch nehmen die Ozonmoleküle sehr viel Energie auf, welche sie als Wärmeenergie wieder an die umgebenden Luftmoleküle abgeben.

Die Stratosphäre ist dadurch vertikal stabil geschichtet:

• Die oberen Luftmassen sind wärmer als die unteren Luftmassen.
• Gleichzeitig haben die oberen Luftmassen eine geringere Dichte als die darunter liegenden.
• Damit ist in der vertikalen Richtung nur ein sehr geringer Austausch der Luftmasssen möglich.

Daher auch der Name Stratosphäre: Das Wort „stratum“ kommt aus dem lateinischen und bedeutet Schicht. Das Wort Stratosphäre bedeutet also soviel wie: geschichtete Kugel.

Quellen:
Wikipedia: Erdatmosphäre
https://de.wikipedia.org/wiki/Luft
https://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol