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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 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 Atmosphäre
Vgl. dazu: Die Auswirkung der Zusammensetzung der Atmosphäre auf die
Temperaturen!
Zusammensetzung der Atmosphären in %, Oberflächentemperaturen und Drücke
Venus
Mond
Erde
Mars
N2: 78%
CO2: 95.32%
CO2: 96%
O2: 21%
N2: 2.7%
N2: ca. 3 %
Spuren von:
Argon (Ar):
Spuren von: SO2, H2O,
keine
Argon, Neon,
1.6%
CO, Argon, Helium,
CO2 (0,034%)
Spuren von: O2,
Neon, H2 und HF
feuchte Luft: H2O max.
H2O und Ne
4%
Druck: 92 Bar
Temperaturen:
+ 486°C
Temperaturen:
-233°C - + 123°C
Druck: 1 Bar
Temperaturen:
-89°C - +59°C
Druck: 9 Millibar
Temperaturen:
-140°C - +20°C
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 Atmosphäre 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
oC warmen Gebiet- das nach außen hin immer kühler wird und letztlich in den 3 Kelvin = 270 Grad Celsius warmen Weltraum übergeht.
Wasserdampf (etwa zu 66%) und Kohlendioxid(etwa zu 30%) dagegen erzeugen mit ihren
wellenlängenabhängigen Absorptionsvermögen den natürlichen Treibhaus- Effekt.
Strahlungsbilanz
Eine knappe physikalische Erklärung dafür, dass es das Wetter gibt, könnte lauten:
Die globale physikalische Funktion des Wettergeschehens ist die Verteilung der
unterschiedlich intensiv eingestrahlten und absorbierten Sonnenenergie über die gesamte
Erdoberfläche.
Lokal
Die jährliche Strahlungsbilanz ist polwärts von ca. 40° nördlicher und 40° südlicher Breite
negativ, zwischen diesen Breiten dagegen positiv. Dies bedeutet, dass die Erde zwischen
40° N und 40° S ständig wärmer werden und in den höheren Breiten entsprechend abkühlen
müsste.
Dass dies nicht geschieht, verdanken wir dem Energietransport von den niederen in die
hohen Breiten.
Als Transportmittel dienen die fluiden Bestandteile der Erdoberfläche in Gestalt von Luft,
Wasser und Wasserdampf. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bewirken
die verflochtenen Strömungsvorgänge dieser Medien einen Abbau der Zustandsunterschiede
(Temperatur, Druck, Wasserdampfkonzentration u. A.) durch die Verteilung der Energie. Die
Gesamtheit dieser Prozesse bildet das Wettergeschehen.
Wärmeströme
Formen: Wind, Verdunstung und Meeresströmungen.
H ... fühlbarer Wärmestrom (z.B. Wind)
V ... nichtfühlbarer Wärmestrom (z.B. Verdunstung)
W ... Meeresströmungen
B ... vertikale Strömungen zwischen Oberfläche
Global
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.
Zusammenfassung
Die Einstrahlung ist am Äquator am stärksten ( siehe cos-Gesetz und Dicke der
Atmosphäre), 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.
Die atmosphärische Zirkulation (die globalen Windsysteme), die Meersströmungen, u.a.
Ausgleichströmungen resultieren also aus dem Strahlungs- und Wärmeunterschied zwischen
Pol und Äquator.