Die Atmosphäre – Lufthülle der Erde
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Geo 102 Ph 3 Globale Zukunftsszenarien — Wege zur Nachhaltigkeit 2 102.1 Die Atmosphäre der Erde aus dem Weltall betrachtet — nur in ihrer unteren Schicht spielt sich das Wettergeschehen ab Die Atmosphäre – Lufthülle der Erde Die Sonne liefert die Energie Die Vorgänge, die zu unserem täglichen Wetter führen und letztlich auch das Klima bestimmen, spielen sich in der Atmosphäre ab (Abb. 103.2). Treibende Kraft ist dabei die Sonne. Sie liefert die Energie, die schließlich zur Erwärmung der Luftmassen in der Atmosphäre führt. Von besonderer Bedeutung ist die Bewegung der Luft: Erwärmte Luft steigt auf, da sie leichter ist als kalte Luft. Kalte Luft sinkt dagegen ab. Es ergeben sich Gebiete mit unterschiedlichem Luftdruck. Die ausgleichenden Strömungen der Luft zwischen den dadurch entstandenen Tiefdruck- und Hochdruckgebieten nehmen wir als Winde war. Durch die Drehung der Erde entstehen große Windsysteme (Beispiel: Passat). Sie sorgen unter anderem für typische Wetterlagen, Bewölkungs- und Niederschlagszonen. Klimasystem Erde Die Atmosphäre ist jedoch kein isoliertes System. Sie steht in Wechselwirkung mit den Land- und Wasserflächen sowie mit der Pflanzen- und Tierwelt (Abb. 102.2). Aufbau der Atmosphäre Die Atmosphäre besteht aus einem Gemisch von Gasen. Hauptbestand- langwellige Ausstrahlung teile sind Stickstoff und Sauerstoff (ca. 99 %), den Rest bilden Argon, Wasserdampf und Spuren anderer Gase. Die Atmosphäre wird in verschiedene „Stockwerke“ gegliedert (Abb. 103.2). Etwa 99 % der Luft befinden sich in den unteren beiden Schichten. Nur in der Troposphäre ist Leben möglich. Hier spielen sich die Wettervorgänge ab. In der Stratosphäre und der Mesosphäre liegt die Ozonschicht. Sie ist von besonderer Bedeutung für das Leben auf der Erde, denn sie schützt vor der energiereichen und damit lebensfeindlichen UV-Strahlung der Sonne. Weltraum solare Einstrahlung (kurzwellig) Wolken Absorption Reflexion Niederschläge und Wind vulkanische Gase und Partikel Seen und Flüsse Eis-OzeanWechselwirkung Schnee und Eis 372F tra hlu ng ab s 3 Ar (0,9 %) 359F So steuert zum Beispiel die Vegetation erheblich den Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre, ist selbst aber wiederum von Eigenschaften der Atmosphäre wie Temperatur oder Wasserdampfgehalt abhängig. Meeresströmungen transportieren große Energiemengen über sehr weite Strecken. Der Golfstrom bringt z. B. warmes Wasser aus der Karibik in den Nordatlantik und sorgt damit für ein mildes Klima in Nordeuropa. Atmosphäre W är me Sonneneinstrahlung O2 (21 %) CO2 (0,04 %) N2 (78 %) H2O ahlung rückstr Wärme 1 Ozonschicht O3 Luft-OzeanWechselwirkung Meereseis Ozean LandLuftWechselwirkung Emission menschliche Eingriffe biogeochemische Kreisläufe Die Bezeichnung Treibhauseffekt ist eine bildhafte Umschreibung für die Erwärmung der Atmo­sphäre. Kurzwellige Sonnenstrahlung gelangt fast ungehindert durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche, wo sie in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt wird. Ähnlich wie eine Kochplatte heizt die erwärmte Erdoberfläche dann die Atmosphäre. Die Treibhausgase in der Atmosphäre verhindern, wie die Glasabdeckung eines Treibhauses, dass die Wärmestrahlung komplett an den Weltraum abgegeben wird. Ohne diese Zwischenspeicherung von Wärmeenergie (als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet) gäbe es weder flüssiges Wasser noch komplexes Leben auf der Erde: Ihre mittlere Oberflächentemperatur läge bei - 18 °C statt bei + 15 °C. Am natürlichen Treibhauseffekt sind vor allem Wasserdampf (zu 65 %), Kohlenstoffdioxid (zu 15 %) und Ozon (zu 10 %) beteiligt. 103.1 Lebenswichtig — der natürliche Treibhauseffekt der Atmosphäre Die ursprüngliche Atmosphäre der Erde hatte vermutlich eine wesentlich höhere Konzentration von Kohlenstoffdi­ oxid sowie höhere Schwefelanteile als heute. Bereits früh konnte sich aber auch Wasserdampf, der bei Vulkanaus­ brüchen frei­gesetzt wurde, in der Atmosphäre anreichern. Durch den natürlichen Treibhauseffekt nahmen die Durch­ schnittstemperatur und der Wasserdampfgehalt der At­ mosphäre zu. Wegen der Temperaturumkehr (Inversion) in der Tropopause konnte der Wasserdampf nicht in die Strato­sphäre entweichen. Stattdessen kondensierte der Wasserdampf aus der Atmosphäre und sammelte sich in den Urozeanen. Der Wasserkreislauf bildete sich aus. Durch die Niederschläge wurde immer mehr Kohlenstoff­ dioxid aus der Atmosphäre ausgewaschen und in den kalkigen Sedimentgesteinen der Ozeane, im Boden, in der Vegetation sowie in den fossilen Brennstoffen abgelagert. Im Laufe der letzten 3,8 Milliarden Jahre sorgte die pflanz­ liche Fotosynthese für die Produktion des atmosphärischen Sauerstoffs. Durch die Bestrahlung freier Sauerstoffatome mit ultraviolettem Licht der Sonne (UV-Licht) bildete sich in der Atmosphäre die Ozonschicht der Erde. 500 km 400 km 300 km Exosphäre Grenze des blauen Lichts Thermosphäre bis 1700 °C 200 km 100 km Mesopause – 80 °C 0,01 UV Mesosphäre 50 km 10 km Stratopause 1 10 °C Stratosphäre Tropopause Ozonschicht – 45 °C 10 – 75 °C Inversion Mt. Everest Troposphäre Temperatur – 100 – 50 Temperatur in °C 355F 103.2 Aufbau und Entwicklung der Atmosphäre Strömung 102.2 Bestandteile und Prozesse des Klimasystems 103 Wie sorgt die Atmosphäre der Erde dafür, dass Leben auf unserem Planeten möglich ist? 0 250 + 50 0 500 1000 Luftdruck in hPa
