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.