Aufbau der Athmospäre

Der Aufbau der Athmospäre
Lernziel:Verständnis für die Grundlagen des Wetters und des Klimas, sowie Grundlage für das Verständnis von
Energieumsatz, Temperaturverteilung, Verdunstung, Winde.
Aufbau der Athmospäre
Abbildung 1: Ein Blick aus dem Space- Shuttle:
man sieht die Wolken, die sich auf die unteren
Schichten der Erde beschränken, und am oberen
Rand als dunkelblaues Band die Mesospäre.
© Nasa Die Atmosphäre umspannt die Erde
als sehr dünner Gasfilm. Ihre
Hauptbestandteile sind 78% Stickstoff und
21% Sauerstoff, sowie KohlenstoffSauerstoff- Verbindungen, StickstoffSauerstoff-Verbindungen oder Edelgase wie
Argon.
Auf Grund der Temperaturen kann man vier Schichten unterscheiden.
Troposphäre – Stratosphäre – Mesosphäre – Thermosphäre - die Exosphäre bis 1000
km ist ein Übergang in die Leere des Weltraumes.
Abbildung 2: Die vier Schichten der
Atmosphäre. Der Temperaturverlauf ist rot
gezeichnet. © NASA
99% der Atmosphärenmasse
konzentrieren sich in den unteren
40 Kilometern. Der Druck nimmt
nach oben zunehmend ab, weil
immer weniger Masse von oben
auf jede Luftschicht drückt.
Die Troposphäre
Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Atmosphäre, mit einer Mächtigkeit von 8 bis 18
Kilometern. Die Dicke schwankt mit den Jahreszeiten, wobei sie im warmen Sommer größer
ist als im kalten Winter.
Innerhalb der Troposphäre nimmt die Temperatur von durchschnittlich 17°C am Boden mit
etwa 6°C pro Kilometer ab und erreicht an ihrer Obergrenze im Mittel eine Temperatur von
–52°C.
In der Troposphäre spielt sich fast das gesamte Wetter ab. Sie enthält 99% des gesamten
Wasserdampfes der Atmosphäre.
Die Troposphäre ist durch die Tropopause von der Stratosphäre getrennt.
Die Stratosphäre & die Ozonschicht
Die Stratosphäre folgt von ca.10 bis 50 Kilometer über der Erdoberfläche.
In den ersten etwa 20 Kilometern ist die Temperatur relativ konstant, dann nimmt sie bis auf
etwa 0°C an ihrer Obergrenze zu. Der plötzliche Temperaturanstieg wird durch die
Ozonschicht in etwa 30 bis 40 Kilometer Höhe verursacht. Die Ozonschicht absorbiert die
ultraviolette Strahlung der Sonne, wobei sie sich aufheizt. Diese Absorption
des gefährlichen UV-Lichtes macht die Ozonschicht für das Leben auf der Erde wichtig.
Abbildung 3:
Ozonloch im
September 2003. ©
NASA
http://earthobservato
ry.nasa.gov/Observa
tory/Datasets/ozone.
toms.html
In den letzten
Jahren wurde
durch die
Umweltverschmu
tzung die
Ozonschicht
geschädigt und
ausgedünnt.
Die Stratosphäre befindet sich über dem Wettergeschehen.Sie wird für Flüge bevorzugt, da
sie meist „sturmfrei“ ist. Allerdings sind die Flugzeugabgase, die sehr lange in der
Stratosphäre bleiben, einer der Gründe für den Ozonabbau.
Die Stratosphäre ist durch die Stratopause von der Mesosphäre getrennt.
Die Mesosphäre
Sie reicht von etwa 50 bis 85 Kilometer über die Erdoberfläche . Die extrem ausgedünnte
Luft der Mesosphäre lässt die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder auf –93°C fallen.
Die leichten Gase werden hier nicht mehr durch Thermik, Winde und Stürme
durcheinandergewirbelt, und beginnen sich, ihrem Gewicht gemäß schichtenweise zu
stapeln.
Innerhalb der Mesosphäre verglühen die meisten Meteore, wenn sie auf die Erde stürzen.
Zwischen Mesosphäre und Thermosphäre liegt die Mesopause.
Die Thermosphäre
Die weit ausgedehnte Thermosphäre oberhalb der Mesosphäre reicht von 85 bis etwa 600
Kilometer über die Erdoberfläche. In ihr sind die einzelnen Gasteilchen sehr weit
voneinander entfernt. Hier wirkt die hochenergetische Strahlung der Sonne, die diese
Schicht bis zu 1700°C auf.
In der Thermosphäre erscheinen die berühmten Nordlichter. Außerdem umläuft in diesem
Bereich das Space-Shuttle und die Internationale Raumstation ISS die Erde.
Die Exosphäre
Die Exosphäre wird meist nicht mehr der Atmosphäre zugeschlagen. Sie markiert den
Übergang zwischen Atmosphäre und dem interplanetarem Raum und erstreckt sich
zwischen etwa 600 und 1000 Kilometern über der Erdoberfläche.
Die Funktion der Athmospäre
Strahlung und Strahlungsumsatz
Siehe besonders: http://www.schulphysik.de/bilanz2.html
Unser wichtigster Stern, die Sonne,
heizt mit einer Leistung (
Energie/Zeit ) von P=3,8 1026 W(att)
und einer Schwankung von ca. 1%
ins All. In einer Entfernung von
149.600.000 km ( einer
astronomischen Einheit, der Strecke
zur Erde) erreicht die Solarstrahlung
S immerhin noch 1368 W/m2 . Über
die gesamte Erdansichtsfläche sind
dies 1,74 1017 W oder 1,74 1017 J/s .
30% der Globalstrahlung werden
durch die Atmosphäre und die
Erdoberfläche zurück ins All
reflektiert. Diese Energie, die so der
Erde verloren geht, wird als globale
Albedo (a) bezeichnet. Nach Abzug
der Albedo kommen noch ca. 1,22
1017 W der Erwärmung der
Athmosphäre und Erdoberfläche zu Gute. Das sind bei ca. 2 KW pro Mensch immerhin
noch das Hundertfache des gesamten menschlichen Energiebedarfes!
19% dieser Strahlen werden durch die Atmosphäre und die Wolken absorbiert.
Absorption = Aufnahme und Bindung von Energie (Sonnenstrahlen) durch Gase (CO2, H2O, u.a.)
Weitere 51% werden durch die Erdoberfläche absorbiert und in langwellige Wärmestrahlung
umgewandelt.
Die langwellige Wärmestrahlung erhitzt den Erdboden, wodurch von diesem Warmluft
aufsteigt. Diese Energie wird als Ausstrahlung der Oberfläche AO bezeichnet. Sie wird
teilweise wieder an den Wolken reflektiert und zur Erdoberfläche (Gegenstrahlung AG )
zurückgeworfen. Dieser Wechsel von AO und AG bewirkt den natürlichen Treibhauseffekt und
damit die Erhaltung der Durchschnittstemperatur von 15°C auf der Erdoberfläche.
Die riesige Menge an eingestrahlter Sonnenenergie wird durch vielfältige Prozesse
umgesetzt: sie läßt u.a. Wasser verdampfen, zu Wasserdampf und zu Wolken werden, die
einerseits dafür sorgen, dass nicht alles Sonnenlicht absorbiert wird. Andererseits streuen
sie bei der Abstrahlung einen Teil der Energie wieder zur Erdoberfläche zurück und sorgen
dort für eine höhere Temperatur.
Wir leben am Grund der Lufthülle in einem thermisch etwas turbulenten aber im Schnitt 15°C
warmen Gebiet- das nach aussen hin immer kühler wird und letztlich in den 3 Kelvin = -270
Grad Celsius kalten Weltraum übergeht.
Wasserdampf (etwa zu 66%) und Kohlendioxid(etwa zu 30%) dagegen erzeugen mit ihren
wellenlängenabhängigen Absorptionsvermögen den natürlichen Treibhaus- Effekt, Methan,
Kohlenstoffverbindungen, Rußpartikel und Fluorchlorkohlenstoffe tragen zur Aufheitung in
den letzten Jahrzehnten bei.
Strahlungsbilanz
Da die Erde insgesamt in den letzten 2 - Milliarden Jahren gleich warm geblieben ist, mußte
in dieser Zeit gleich viel Energie in den Weltraum abgegeben werden, als aufgenommen
wurde. Das bedingt, dass die Erde gleich viel Energie abstrahlt, wie sie aufnimmt. Die
Energiebilanz ist deshalb Null.
Die Einstrahlung ist am Äquator am stärksten ( siehe cos-Gesetz und Dicke der
Athmospäre), die Ausstrahlung erfolgt von der gesamten Erdoberfläche ziehmlich
gleichmäßig. Daraus folgt:


Am Äquator ist die Strahlungsbilanz (R) positiv (Energieüberschuss), somit ist
auch die Erwärmung der Luft und des Bodens hoch.
An den Polen ist die Strahlungsbilanz (R) negativ (Energiemangel), somit ist auch
die Abkühlung der Luft und des Bodens groß.
Dieser Temperaturgegensatz zwischen Äquator und Polen muss ausgeglichen werden,
damit der gesamte Strahlungs- und auch Wärmehaushalt der Erde gleich ist. Dieser
Ausgleich geschieht durch verschiedene Wärmeströme, wie Wind, Verdunstung und
Meeresströmungen.
H ... fühlbarer Wärmestrom (z.B. Wind)
V ... nichtfühlbarer Wärmestrom (z.B. Verdunstung)
W ... Meeresströmungen
B ... vertikale Strömungen zwischen Oberfläche und Tiefe im Wasser und in der Luft
Die atmosphärische Zirkulation (die globalen Windsysteme), die Meersströmungen, u.a.
Ausgleichströmungen resultieren also aus dem Strahlungs- und Wärmeunterschied zwischen
Pol und Äquator.
Entropiebilanz
Die Physik hat für die Wertigkeit der Energie den Begriff der
Entropie = Energieänderung/Temperatur
gebildet. Je höher die Entropie eines Systems wird, desto ungeordneter, strukturloser ist das
System. Sich selbstorganisierende, lebendige Systeme müssen dahr bestrebt sein, Entropie
zu exportieren um dem sogenannten Wärmetod (absolute Gleichheit aller Systemteile) zu
entgehen.
Wenn die Erde Energie an den Weltraum abgibt verliert sie mit der Energie auch Entropie,
sie exportiert Entropie. Nur dadurch gelingt es der Erde Strukturen und Ordungen aufrecht
zu erhalten.
Von der Sonne (Oberflächentemperatur 6000K) kommt eine Entropie Sin = 1,74 1017
W/5800K und es geht ab eine
Entropie Sout = 1,74 1017 W/280K was in Differenz -6 1014 W/K ergibt. Dies sind pro
Quadratmeter Erdoberfläche ein Entropieexport von etwa 1 W/K. Nur deshalb kann die
Erde Leben, Strukturen und Ordnung - und uns Menschen erhalten.