Atmosphaere

Der Aufbau der Atmosphäre
Lernziel: Verständnis für die Grundlagen des Wetters und des Klimas, sowie
Grundlage für das Verständnis von Energieumsatz, Temperaturverteilung,
Verdunstung, Winde.
Aufbau der Atmosphäre
Abbildung 1:
Ein Blick aus
dem SpaceShuttle: man
sieht die
Wolken, die
sich auf die
unteren
Schichten der
Erde
beschränken,
und am oberen
Rand als
dunkelblaues Band die Mesosphäre.
© Nasa Die Atmosphäre umspannt die Erde als
sehr dünner Gasfilm. Ihre Hauptbestandteile
sind 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff, sowie
Kohlenstoff-Sauerstoff- Verbindungen,
Stickstoff-Sauerstoff-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.
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ren 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://earthobservatory.nasa.gov/Observatory/Datasets/ozone.toms.html
In den letzten Jahren wurde durch die Umweltverschmutzung
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 durcheinander gewirbelt, 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 Athmosphäre
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 Aufheizung 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 cosGesetz und Dicke der Athmosphäre), die Ausstrahlung erfolgt
von der gesamten Erdoberfläche ziemlich 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 Strahlungsund 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 daher
bestrebt sein, Entropie zu exportieren um dem so genannten
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 Ordnungen
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.