Die Lufthülle der Erde - Stromberg

Die Lufthülle der Erde
Seminarkurs 2003/2004
Leitung: Herr Rösner, Herr Stark
Schriftliche Seminararbeit von Natalie Stäub
Thema: Die Zusammensetzung der Lufthülle der Erde
Mein Thema möchte ich in verschiedene Sparten gliedern, um es so übersichtlich
darzustellen.
Überblick
1. Was versteht man eigentlich unter der „ Atmosphäre“, die Lufthülle unserer Erde?
2. Entwicklung der Atmosphäre
3. Zusammensetzung der Atmosphäre, Luftdichte, chemische und physikalische Betrachtung
4. Aufbau der Atmosphäre Betrachtung ihrer einzelnen Schichten, Lebensbedingungen in
der Atmosphäre
5. Luftverschmutzung, Folgen für die Zukunft, was kann man als einzelner tun um die
Luftverschmutzung so gering wie möglich zu halten
6. Wahlthema, Auseinandersetzung mit aktuellem Thema über Atmosphäre, eigene Meinung
7. Schlussfolgerung der Seminararbeit
Um mit meiner Facharbeit beginnen zu
können, möchte ich mich erst kurz mit
dem Wort „Atmosphäre“ auseinander
setzen.
Man liest oft in der Zeitung über
Meteoriten die in die Erdatmosphäre
eindringen sollen, man behandelt dieses
Thema vielleicht auch in der Schule. Es
ist jedoch ein sehr großes Thema und für
viele vielleicht auch undurchsichtig was
die Atmosphäre eigentlich ist, um die es
andauend und in der gesamten Arbeit geht.
Also möchte ich den Begriff „Atmosphäre definieren:
„Atmos sphaira“ ist griechisch und bedeutet „Dunstkugel“
Diese Dunstkugel ist eine im Schwerefeld der Erde festgehaltene Lufthülle,
etwa 1000 bis 3000 km mächtig, die aus einem Gemisch von verschiedenen
Gasen besteht. (Stickstoff, Sauerstoff , Edelgase, Kohlendioxid, Staub,
Wasserdampf , Meersalz und Spurenstoffe.) Die Atmosphäre ist eine, durch
die Massenanziehung der Erde festgehaltene Gashülle.
Sie setzt sich aus verschiedenen Ebenen mit verschiedenen Eigenschaften
zusammen.
Wenn wir die Erde mit einem Fußball vergleichen, ist die Lufthülle so dick
wie die Lederhülle des Balles.
Die Lufthülle dreht sich mit der Erde mit, aber es besteht auch eine ständige
Bewegung der Atmosphäre gegenüber der der Erdoberfläche, wir bezeichnen
diese ständige Bewegung als Wind.
Man kann unsere Atmosphäre auch als Luftmeer betrachten, auf dessen
Grund wir leben.
Dieses Meer erstreckt sich von der
Oberfläche der Erde kilometerweise nach
oben und verdünnt sich gleichmäßig bis
zur äußeren oberen Grenze, also
unendlich lange Verdünnung der Luft. Es
gibt keine genaue Bestimmung einer
exakten Obergrenze der Atmosphäre. Es
wird angenommen , dass sie einige
hundert oder tausend Kilometer über der
Erdoberfläche liegt. Noch weiter oben
wie die Grenze der Atmosphäre vermutet
wird existieren immer noch Gasmoleküle.
Die Geschichte/ Entwicklung der Erdatmosphäre
Vor 10 Mrd. Jahren begann sich unser Planet,
die Erde zu bilden. Im Weltall nach dem
Urknall verteilte Atome
verdichteten(Kontraktion) sich zu Gaswolken.
Diese Gaswolken verdichteten sich durch
Gravitation und es entstand zunehmender
Druck und Hitze. Die Gaswolken fingen
durch glühen, welches durch die zunehmende
Hitze entstand, an zu rotieren. Durch
Einsetzten der Fliegkraft und Abspaltung wird die Gaswolke zur Gasscheibe. In
ihrem Zentrum sammelt sich 99%
ihrer Masse als Ursonne.
In dieser Gasscheibe entstehen sich
verdichtende Teilwirbel aus denen
die Planeten entstehen.
Vor ca. 5 Milliarden Jahren
umkreiste die Erde die Sonne als
4000 °C heißer Glutball.
Infolge der Erwärmung gingen
gasförmige Bestandteile der
Uratmosphäre verloren, da die Erde
ein schwaches Gravitationsfeld
aufweist und Wasserstoff und Helium nicht binden konnte. Die
Anziehungskräfte (Gravitation) zwischen beiden, Gas und Erde waren zu
schwach.
Nachdem die Kontraktionsphase beendet war, erfolgte eine Abkühlung durch
Wärmeabstrahlung.
Gleichzeitig entstand die Atmosphäre neu durch Ausgasung und heftigen
Vulkanismus (alle Erscheinungen, die mit heißer natürlicher Gesteinschmelze
die aus dem inneren der Erde kommt an die Erdoberfläche dringen.)
Durch diesen Vorgang entwichen große Mengen von Wasserstoff, und Helium
in den Weltraum.
Durch Reaktionen der anderen Gase wie Sauerstoff, Wasserstoff und
Kohlenstoff bildeten sich eine Reihe chemischer Verbindungen




Methan (CH4)
Wasserdampf (H2O)
Kohlendioxid (CO2)
Ammoniak (NH3)
Zusätzlich liefert der Vulkanismus noch Wasserdampf, Kohlendioxid und
Schwefelverbindungen an die Atmosphäre.
Da die Erde nah an der Sonne liegt fanden photochemische Reaktionen statt.
Diese sind Reaktionen, die unter Zufuhr von Licht/ UV- Strahlen erfolgen.
Somit kommt es durch das Licht zu einer Aufspaltung von CH4 , NH3 und H2O
In die Elemente O2 , H2 , N2 und C. ( Sauerstoff, Wasser und Stickstoff liegen
jetzt als Moleküle vor. C ist ein einzelnes Atom, es liegt nicht als Molekül vor.)
Der Wasserstoff entwich wieder zum Teil in den Kosmos.
Kohlenstoff (C)+Sauerstoff (O2)
Kohlendioxid (CO2)
Diese Reaktion wurde photochemisch nicht wieder gespalten, es war eine stabile
Verbindung aus den Reaktionsprodukten entstanden.
Es begann sich weiter N2 anzureichern, dies ist ein
reaktionsträges Element.
Dieses Stadium der Erdatmosphäre besitzt Ähnlichkeit mit der
Mars- und Venus
Atmosphäre.
Venus
Die Anreicherung von CO2 , H2O und N2 stellte sich vor 3 bis 4 Milliarden
Jahren ein. Die Abkühlung unterschritt die 100°
C Grenze.
Es begannen sich Sedimente und Gestein zu
formen.
Die Erdatmosphäre hat einen optimalen Abstand
zur Sonne im Gegensatz zu anderen Planeten,
deshalb kann auf der Erde Leben existieren, das
Klima ist weder zu heiß, noch zu kalt.
Die Entfernung zwischen Erde und Sonne
bietet die Möglichkeit , dass das Gas H2O in
verschiedenen Aggregatzuständen vorhanden ist.(fest, flüssig und gasförmig)
Dies hat zur Folge, dass Wolken- und
Niederschlagsbildung möglich war.
Durch den Niederschlag sind die Ozeane
entstanden, diese lösten Kohlendioxid.
Durch die Reaktion, in der Kohlendioxid
durch H2O gelöst wird entstehen Karbonate
(kohlensaures Salz ) CaCO3
Diese Kohlensauren Salze lagerten sich am Boden des Ozeans ab.
H2O
Niederschlag
Ghg
Ozeane
lösen
Kohlendioxid CO2
Ablagerung
auf Grund von
Ozeanen
Karbonate
Das Schaubild zeigt, dass der Ozean der aus H2O entstanden ist, Kohlendioxid
aus der Atmosphäre herauslöst, dies ist ein Kreislauf, aus dem man herauslesen
kann, dass die Ozeane solange gefiltert haben bis das ganze Kohlendioxid aus
der Atmosphäre entschwunden war. Nun konnte Leben erstmals entstehen, da
durch das gefilterte Kohlendioxid, welches immer weniger wurde der Anteil an
Voraussetzung für Leben.
Den Sauerstoff-Pegel den wir heute in unserer Atmosphäre wissen, wurde schon
vor angenommen 0,5 Mrd. Jahren erreicht.
Die Entwicklung der Erdatmosphäre von einer CO2/N2 zu einer N2/O2 –
Atmosphäre bewirkte eine Abkühlung der Erde und somit die Möglichkeit auf
den Bestand von Leben, was im Gegensatz zum Planeten Venus nicht der Fall
ist. Die Venusatmosphäre durchlief keine Entwicklung an deren Ende Leben
durch Sauerstoff möglich war.
Durch die Abkühlung der Erde sind verschiedene Klimas auf den Kontinenten
möglich, also auch Eisbildung.
Die Zukunft der Erdatmosphäre bestimmen zum größten Teil wir Menschen,
durch unser bewusstes, oder unbewusstes Handeln.
Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre
Die Zusammensetzung der Atmosphäre in Bodennähe wird in Volumen %
angegeben. Die Atmosphäre setzt sich aus 78,09 Stickstoff, 20,95 Sauerstoff,
weniger als Edelgase (Argon, Neon, Krypton, Xenon) etwa 0,03
Kohlendioxid, Wasserdampf in stark wechselnden Anteilen , außerdem variable
Mengen an Staub sowie Meersalz und Spurenstoffe, Abgase miteingeschlossen.
Bis zu 110 km Höhe ändert sich die Stoffzusammensetzung der Atmosphäre
nicht, nur die Anteile von Wasserdampf und Sauerstoff ändern sich. Über 110
km ändert sich die Stoffzusammensetzung der Atmosphäre zunehmend.
Die Luftdichte nimmt mit der Höhe ab:
Dichte Meeresniveau: 1,293 * 10-3 g/ cm3
Dichte in 5 km Höhe : 0,736 * 10-3 g/ cm3
In den unteren 20 km der Atmosphäre sind 90% ihrer Gesamtmasse enthalten.
Die Normal Atmosphäre hat einen Luftdruck von 1013,25hPa und eine
Temperatur von 15°C an der Erdoberfläche.
Die Temperaturabnahme beträgt 0,65 K (Kelvin) / 100 m. (bis in 10 km Höhe)
Die Atmosphäre saugt teilweise Sonnenstrahlung und Wärmeabstrahlung der
Erdoberfläche auf (Treibhauseffekt; www.treibhauseffekt.com)
Durch Energie und Wasserdampf Transport mit der atmosphärischen Zirkulation
ist die Atmosphäre Medium des Wetters und wesentlicher Klimabilder.
Die Atmosphäre besteht aus einem physikalischen Gemisch verschiedener
gasförmiger Elemente. Die verschiedenen Bestandteile der Atmosphäre haben
unterschiedliche Massen, d.h. sie sind unterschiedlich schwer und können sich
nicht alle auf einer Ebene der Atmosphäre halten.
Daher wird angenommen dass die Bestandteile der Atmosphäre in
unterschiedlichen Schichten auftreten.
Das Mischungsverhältnis der verschiedenen Schichten ist bis in große Höhen
beharrlich oder konstant, also immer dieselbe Mischung der Elemente in den
einzelnen Schichten.
Auch die Mischung des Sauerstoffs ist konstant, der normalerweise in
Photosynthese betreibenden Tropengebieten einen höheren Anteil Sauerstoff
aufzeigen müsste als in Sauerstoffbindenden Gebieten (z.B.
Industrieagglomerationen) , wenn keine Durchmischung stattfinden würde.
Doch die konstante Mischung des Sauerstoffs ist eine folge der starken und
turbulenten Durchmischung der Erdatmosphäre durch vertikale und horizontale
Luftbewegungen.
Zusammensetzung der wasserdampflosen, reinen Atmosphäre nähe
Meeresniveau
Die folgende Tabelle zeigt die Vol. % Angabe der in der Atmosphäre
vorkommenden Elemente
Bestandteil
Vol. %
Sauerstoff :
Stickstoff N2
Sauerstoff O2
Argon Ar
Kohlendioxyd CO2
Neon Ne
Wasserstoff H2
Methan CH4
Helium He
Krypton Kr
Schwefeldioxyd SO2
Distickstoffoxyd N2O
Xenon Xe
Ammoniak NH3
Ozon O3
78,084
20,948
0,934
0,03 (variabel)
0,001818
0,001-0,00005
0,0002
0,00052
0,000114
0,0001 (variabel)
0,000 05
0.000 0087
0,000 0026
ktion
Die Menge des Sauerstoffs in
nebenstehender Tabelle ist relativ
klein. Sauerstoff wird bei der
Photosynthese produziert. Die
Sauerstoffbindung erfolgt bei
Oxidationsprozessen, wie bei der
Atmung oder Verbrennung, aber auch
bei Verwesung und Verwitterung.
Das Gleichgewicht zwischen
Sauerstoffverbrauch und
Sauerstoffproduktion wird
zunehmend durch die Verbrennung
fossiler Brennstoffe einseitig belastet.
Kohlendioxyd :
Auch Kohlendioxyd vertritt einen geringen Anteil seiner Masse in der Atmosphäre.
Kohlendioxyd hat jedoch eine besondere Bedeutung weil es großen Einfluss auf die
Strahlungsströme in der Atmosphäre hat.
Kohlendioxid wird bei der Atmung (der Lebewesen, wie Menschen Pflanzen oder Tieren bei
Nacht), Verwesungsprozessen, Vulkanausbrüchen und Verbrennungen (z.B. Waldbränden)
produziert. Kohlendioxyd absorbiert einen großen Teil der langwelligen Ausstrahlung der
Erde und trägt zur Glashauswirkung bei. Im 18ten Jahrhundert war das Kohlendioxidgehalt in
der Atmosphäre höher als heute.
Ozon:
Ist eine giftige, dreiatomige Form des Sauerstoffs, und kommt in der unteren
Atmosphäre(unsere Atmungsluft) nur in sehr geringen Mengen vor. Das Ozon ist vor allem in
einer Höhe zwischen 20 km und 50 km konzentriert. Ozon hält die Hälfte der UV-Strahlung
zurück, es bildet also einen Schutzfilm um die Erde.
Wasserdampf:
Die Wasserdampf Konzentration ist räumlich und zeitlich sehr variabel. Mit zunehmender
Höhe nimmt der Wasserdampfgehalt als Folge der vertikalen Temperaturabnahme rasch ab.
Die wertvolle Bedeutung liegt darin, dass er seinen Aggregatzustand ändern kann.
Aerosole
Sind Bestandteile der Atmosphäre die von natürlichen oder anthropogenen (durch den
Menschen verursacht) Quellen als Emission in die Atmosphäre gebracht werden. Emission ist
die Aussendung von elektromagnetischen Teilchen. Die Aerosole, die als elektromagnetische
Teilchen in die Atmosphäre gebracht werden, bleiben dort eine Weile in der Schwebe, und
wenn sie dort keine Reaktion eingehen werden sie als Immission wieder abgesetzt.
Hauptsächliche Quellen sind: aufgewirbelter Staub, verspratztes Seewasser, Rauch aus
offenen Bränden, und Schornsteinen, natürliche und anthropogne Abdämpfe,
Mikroorganismen, unterschieden wird zwischen festen Substanzen, gasförmigen Substanzen,
anorganischen Partikeln und Mikroorganismen
Sauerstoff, Kohlendioxyd, Ozon, Wasserdampf und Aerosole sind wichtige Bestandteile
unserer Atmosphäre.
Stockwerkbau der Atmosphäre
Die Atmosphäre lässt sich in verschiedene Schichten einteilen, auch Stockwerke
genannt.
Die unterste Schicht der Atmosphäre wird als Troposphäre bezeichnet, in ihr
laufen die Wettervorgänge ab. Sie untergliedert sich in die Grundschicht, in der
sich der Energie und Stoffaustausch mit der Erdoberfläche vollzieht, die
Bodenreibung wirksam wird und die Hauptdunstmasse enthalten ist, und die
„freie“ Troposphäre, in der die Temperatur mit der Höhe abnimmt. Die obere
Grenze der Troposphäre wird als Tropopause bezeichnet. Sie liegt zwischen 9
und 18 km Höhe mit Temperaturen zwischen -50 und -80°C.
An die Tropopause schließt sich nun die zweitniedrigste Schicht an, die
Stratosphäre, sie erstreckt sich bis etwa 50 km Höhe und enthält wegen ihres
geringen Wasserdampfgehaltes keine Wolken, außer Perlmutterwolken. Die
Temperaturen oberhalb der Tropopause bleiben zunächst mit zunehmender
Höhe wenig verändert und nehmen dann in der oberen Stratosphäre bis 10°C zu.
Grund dafür ist das angereicherte Ozon welches UV- Strahlen absorbiert.
Über der Stratosphäre befindet sich die Mesosphäre (obere
Durchmischungsschicht) Innerhalb der Mesosphäre nimmt die Temperatur mit
zunehmender Höhe wieder
ab. Die Obergrenze der Mesospäre, die Mesopause, liegt mit -85°C bei 85 km
Höhe. Die darauffolgende Thermosphäre reicht bis etwa 450 km und geht unter
Temperaturanstieg durch Sonnenabstrahlungsabsorption bestimmter
Wellenlängen in Exospäre über. Die Exosphäre ist bekannt als
Stoffaustauschzone mit dem interplanetaren Raum.
Vertikale Gliederung nach dem Ionisationsgrad: In der Neutrosphäre ( bis 65
km) die kaum ionisiert ist und in die Ionosphäre (65 bis 500 km) mit
verschiedenen Maxima der Elektronen, bzw. Ionendichten. Ionosphäre und
Exosphäre werden auch als Hoch- Atmosphäre bezeichnet.
Lebensbedingungen in der Atmosphäre
Die Erdatmosphäre enthält ungefähr 21% des für Lebewesen benötigten
Sauerstoffes. Der Sauerstoff beträgt ein fünftel des ganzen Luftvolumens,
außerdem ist er Brennstoff des menschlichen Lebens. Der Druck, den der
Sauerstoff als Teildruck ausmacht, beträgt genau wie die Stoffmenge, ein fünftel
des ganzen Drucks der Atmosphäre in jeder beliebigen Höhe.
Die Lungen des Menschen absorbieren den Sauerstoff abhängig vom Teildruck
des Sauerstoffes in der Atmosphäre. Der Mensch ist daran gewöhnt den
Sauerstoff mit einem Druck von ungefähr 200 hPa zu absorbieren ( 200 hPa ist
der Druckbestand auf Meereshöhe) Mit zunehmender Höhe nimmt der Teildruck
des Sauerstoffes ab, der Mensch gerät in einen Erschöpfungszustand, wenn er
sich körperlich anstrengt, in Atemnot. In noch größeren Höhen lässt die Sehkraft
des Menschen nach, er wird bewusstlos ohne es zu merken. Daher muss beim
Fliegen der Sauerstoffteildruck in größeren Höhen den menschlichen
Bedürfnissen angepasst werden.