Die Atmosphäre der Erde

Version 1.1
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Einführung in die Physik der Atmosphäre
Inhalt:
1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre
2. Unterteilung der Atmosphäre
3. Der vertikale Aufbau der Atmosphäre
1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre
(griechisch: atmos = Luft, Druck, Dampf, sfära = Kugel)
Die Luft ist ein Gasgemisch mit den Hauptbestandteilen N2, O2, Ar, H2O und CO2.
Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist aber regional und zeitlich sehr variabel, deshalb gibt
man die Zusammensetzung für trockene Luft (wasserdampffrei) an.
In eckigen Klammern [] ist der Volumsanteil = Druckanteil, Vi/V=pi/p angegeben.
Stickstoff
Sauerstoff
Argon
Kohlendioxid
Trockene Luft
Neon
Helium
Methan
Krypton
Wasserstoff
Stickoxydul
Kohlenmonoxid
Xenon
Ozon
(N2)
(O2)
(Ar)
(CO2)
(Ne)
(He)
(CH4)
(Kr)
(H)
(N2O)
(CO)
(Xe)
(O3)
[0,7808]
[0,2095]
[0,0093]
[0,0004]
[1,0]
[1,8 . 10-5]
[5,2 . 10-6]
[1,8 . 10-6]
[1,1 . 10-6]
[5,6 . 10-7]
[3,2 . 10-7]
[9,0 . 10-8]
[8,7 . 10-8]
[4,0 . 10-8]
2. Unterteilung der Atmosphäre
Die erste grobe Unterteilung der Atmosphäre ist in ungefähr 85 km Höhe. Die Grenze wird
Turbopause oder Homopause genannt. Den unteren Teil vom Meeresniveau bis zur
Turbopause nennt man Homosphäre (griechisch: homoios = gleichartig), den oberen Teil
nennt man Heterosphäre (griechisch: heteros = verschieden).
Der Unterschied von Homosphäre und Heterosphäre besteht hauptsächlich in der
Durchmischung der Atome und Moleküle. In der Homosphäre ist die Durchmischung
gleichmäßig, unabhängig von den Atom- und Molekülmassen. In der Heterosphäre kommt es
aber durch den geringen Druck (lange freie Weglänge der Teilchen) zu einer Schichtung der
Atome und Moleküle. Die schweren Moleküle (Stickstoff, Sauerstoff) sinken nach unten,
während die leichten (Wasserstoff, Helium) nach oben steigen. So ändert sich die
Zusammensetzung der Heterosphäre mit der Höhe. Unterhalb der Turbopause bleibt die
Zusammensetzung jedoch fast konstant.
In der Homosphäre befinden sich 99,9 % aller Gasteilchen der Atmosphäre.
Die Höhe von 100 km wird offiziell von der FAI (Fédération Aéronautique Internationale) als
Grenze zum Weltraum betrachtet, weil dort sehr ähnliche Verhältnisse herrschen (T~ -90°C,
p~ 0,001 HPa). Nach Betrachtung der NASA beginnt der Weltraum schon bei einer Höhe von
50 Meilen (~ 80 km).
3. Der vertikale Aufbau der Atmosphäre
Der Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Höhe ist so charakteristisch, dass er zur
Grundlage für die Namensgebung der einzelnen Schichten geworden ist. Die verschiedenen
Temperaturen in den einzelnen Schichten spiegeln verschiedene physikalische Prozesse
wieder.
Troposphäre
(griechisch, trepein = wenden, umkehren)
Charakterisiert durch:
1.
2.
3.
4.
5.
Von 0 bis ungefähr 12 km Höhe reichend.
sehr starke Durchmischung
Wolkenbildung, fast das gesamte sichtbare Wettergeschehen spielt sich hier ab
Temperaturabnahme von 0,65°/100 m
Hier spielt sich die Strahlungsabsorption und Emission an der Erdoberfläche ab
Tropopause
(griechisch, pauein = aufhören)
Charakterisiert durch:
1. Von ca. 12-20 km Höhe
2. Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre
3. die Temperatur in der Tropopause bleibt mit der Höhe ziemlich konstant
4. Austausch der Luftschichten
5. Ablauf von Strahlungsprozessen
Stratosphäre
(Lateinisch, stratus = geschichtet)
Charakterisiert durch:
1. Von ca. 20-47 km Höhe
2. wieder steigender Temperaturverlauf bis um die 0° C
3. Sehr geringer Wassergehalt
4. fast keine Wolkenbildung (außer sog. Perlmutterwolken)
5. Allerdings sehr starker Einfluss auf das Wettergeschehen in der Troposphäre
6. sehr hoher Ozongehalt, Konzentration schwankt mit Einstrahlung
Stratopause
Charakterisiert durch:
1. in ungefähr 50 km Höhe
2. Temperaturmaximum von durchschnittlich -3°C (-12°C im Winter, +12°C im
Sommer), verursacht durch Strahlungsabsorption des Ozons
Mesosphäre
(griechisch: messi = Mitte)
Charakterisiert durch:
1. reicht ungefähr bis 85 km Höhe
2. der Temperaturverlauf ist wieder absteigend
Mesopause
Charakterisiert durch:
1. in ungefähr 85km Höhe
2. obere Grenze der Homosphäre
Turbopause
Grenze zwischen Homosphäre und Heterosphäre
Heterosphäre > 85 km
Turbopause ------------------------------------Homosphäre < 85 km
Thermosphäre, (Ionosphäre)
(griechisch: thermos = warm, heiß)
Charakterisiert durch:
1. erstreckt sich von 85-800 km Höhe
2. die Temperatur steigt bis auf 1000°K (727°C) in 400 km Höhe und bleibt dann etwa
konstant
3. Die Gase sind hier dissoziiert (zerlegt und teilweise ionisiert) durch Absorption von
Strahlung aus dem Weltraum
4. Durch Ionenbildung ist die Thermosphäre elektrisch leitend (Reflexion von
Radiowellen)
5. Starke Temperaturschwankungen durch die Tagesbedingte Strahlenabsorption und
durch die geringe Dichte, bis 100°.
6. Gase sind entmischt entsprechend ihren Molmassen. Wenig Durchmischung wegen
der großen freien Weglängen durch die geringe Dichte. Nur die Diffusion wirkt
entgegen, es stellt sich das Diffusionsgleichgewicht ein.
7. Vorkommen von den so genannten „leuchtende Nachtwolken“. Bestehen aus
Eiskristallen mit Kernen aus Meteoritenstaub (als Sublimationskerne). Sehr selten, nur
im Sommer in polaren Breiten.
Ionosphärenschichten
Die Ionosphäre enthält große Mengen Ionen und freie Elektronen. Die Verteilung und Dichte
dieser Ladungsträger unterliegt einer starken tageszeitlichen Schwankung und der
Sonnenaktivität. Daraus resultiert eine Schichtstruktur:
D-Schicht (ca 70km - 90km).
Nur tagsüber vorhanden.
In der D-Schicht wird NO durch Röntgenstrahlung und N2 und O2 durch harte
Röntgenstrahlung bei hoher Sonnenaktivität ionisiert. Durch die relativ hohe Dichte der
Teilchen in diesem Bereich und die daraus resultierende kleine freie Weglänge erfolgt durch
Rekombination der Ladungsträger sehr schnell der Abbau der D-Schicht nach
Sonnenuntergang. Durch die unzähligen Stöße der Ladungsträger bewirkt die D-Schicht eine
sehr starke Dämpfung von Radiowellen < 10 MHz.
E-Schicht (ca 110km – 130km)
Nur tagsüber vorhanden
Die Ionisation erfolgt durch weiche Röntgenstrahlung von O, O2 ,N2. Auch hier kommt es aus
den selben Gründen wie bei der D-Schicht zu einer Dämpfung von Radiowellen, wenn auch
nicht so stark (weniger Teilchen -> weniger Stöße). Einige Stunden nach Sonnenuntergang ist
die E-Schicht dann komplett verschwunden. Die Rekombination der Ladungsträger geht
langsamer als in der D-Schicht vor sich, weil die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger
größer ist.
Exosphäre
(griechisch: exo = außen, draußen, außerhalb)
Charakterisiert durch:
1. Höhe > 800 km
2. schnelle, ungeladene Teilchen können die Erdanziehung überwinden und in den
Weltraum entweichen
3. Viele der Teilchen liegen jedoch als Ionen vor und werden deshalb vom magnetischen
Feld der Erde festgehalten
Magnetosphäre
Als Magnetosphäre bezeichnet man das Raumgebiet um die Erde, in dem das Magnetfeld der
Erde dominiert. Ihre Struktur wird durch das Magnetfeld der Erde und die Wechselwirkungen
zwischen diesem Magnetfeld und der kosmischen Partikelstrahlung (Sonnenwind) bestimmt.
Bewegt sich ein geladenes Partikel (Sonnenwindteilchen sind geladen) in einem Magnetfeld
so erfährt das Partikel eine Ablenkung.
Im Bild sieht man deutlich die Deformation des Magnetfeldes durch den Sonnenwind.
An den Polen kann es zum Eindringen von Kosmischen Teilchen in die tiefe Atmosphäre bis
hin zum Erreichen der Erdoberfläche kommen. Der Grund dafür sind Zusammenstöße mit
nicht geladenen Partikeln, deren Anzahl in den Polregionen besonders hoch ist.
Magnetopause
Charakterisiert durch:
1. Höhe ungefähr 10 - 12 Erdradien (~ 60000 km)
2. Ende des Einflusses des Erdmagnetfeldes auf die Teilchenbewegung
3. Offizielles oberes Ende der Atmosphäre
Darüber folgt das Gebiet des solaren Windes. Das sind bewegte Teilchen aus der Sonne,
schnelle Protonen und Neutronen, welche aus der Sonnenkorona stammen.