Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde

Der Aufbau der Atmosphäre
Lernziel: Verständnis für die Grundlagen des Wetters und des Klimas, sowie Grundlage für das Verständnis von
Energieumsatz, Temperaturverteilung, Verdunstung, Winde.
Abbildung 1: Aus dem Space- Shuttle sieht man die
Wolken in den tiefsten Schichten und oben als blaues
Band die Mesosphäre
© Nasa
Chemische Zusammensetzung
78,084 Vol. % molekularer Stickstoff
20,9476 % molekularer Sauerstoff
0,934 Argon
0,0314 Kohlendioxid
0,001818 Neon
0,000524 Helium
0,0002 Methan
0,000114 Krypton
0,00005 Wasserstoff
0,00005 Stickstoffoxid
0,0000087 Xenon
< 0,00001 Schwefeldioxid
< 0,000007 Ozon
und Spuren von Stickstoffdioxid, Ammoniak,
Kohlenmonoxid und Jod.
Temperaturschichtung
Auf Grund der Temperaturen kann man vier
Schichten unterscheiden.
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Troposphäre –
Stratosphäre –
Mesosphäre –
Thermosphäre Exosphäre .
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.
Als obere Grenze des schleichenden Übergangs in den „leeren“ Weltraum definiert man 1000 km.
Die Troposphäre
ist die unterste Schicht der Atmosphäre, mit einer Mächtigkeit von 8 (polnah bis zu den gemäßigten Breiten) bis 18
Kilometern (in den Tropen). 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
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 UVLichtes macht die Ozonschicht für das Leben auf der
Erde wichtig, die aber wegen der
Umweltverschmutzung besonders mit FCKWs1
gefährdet ist.
Abbildung 3: Ozonloch im September 2003. © NASA Quelle:
http://earthobservatory.nasa.gov/Observatory/Datasets/ozone.toms.h
tml
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 entsprechend 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. Hochenergetische kurzwellige
Sonnenstrahlung heizt diese Schicht bis zu 1.700°C auf und erzeugt die Nordlichter.
Hier umkreisen Space-Shuttles 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.
1
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), chemische Nomenklatur nach IUPAC: Chlorfluorkohlenwasserstoffe, sind eine
umfangreiche chemische Gruppe niedermolekularer organischer Verbindungen, die als Treibgase oder Kältemittel verwendet
werden. FCKW sind Kohlenwasserstoffe, bei denen Wasserstoffatome durch die Halogene Chlor und Fluor ersetzt wurden, sie sind
eine Untergruppe der Halogenkohlenwasserstoffe.