Die Atmosphäre: Aufbau

Die feste Erdkugel ist von einer dünnen Haut flüchtiger Gase, der Atmosphäre, umgeben. Von der Gesamtmasse der Erde entfällt auf sie nur ein millionstel Anteil, dennoch gäbe es ohne diese zarte, schützende Schicht keinen biologischen Stoffwechsel. Eine kleine Veränderung kann zu empfindlichen Störungen des ökologischen Gleichgewichts führen.


Vertikale Gliederung

Die Physik der unteren Atmosphäre heißt seit Aristoteles "Meteorologie". Sie umfaßt die Vorgänge in der Troposphäre (bis ca. 12 km Höhe), und hierin spielt sich auch das alltägliche Wetter ab. Die Physik der übrigen Atmosphäre bis in den Weltraum hinein nennt man Aeronomie. Dort spielen sich Erscheinungen ab, die in ihrer Mannigfaltigkeit die Vorgänge in der unteren Atmosphäre weit übertreffen. Entsprechend vielfältig ist deshalb ihre Unterteilung in Schichten.
In erster Linie unterscheidet man die Luftschichten bezüglich des Temperaturverlaufs mit der Höhe: Die Troposphäre, Stratosphäre und die Mesosphäre sowie darüber die Thermosphäre. Die Grenzen (genannt "Pausen") werden durch Temperaturminima bzw. -maxima charakterisiert.
Die ersten drei Schichten bilden die Homosphäre, weil nach der chemischen Einteilung das Mischungsverhältnis der einzelnen Gase konstant ist. In der höheren Thermosphäre findet aufgrund der Erdschwere eine Entmischung der Bestandteile statt: Der Anteil der leichteren Gase nimmt mit großer Höhe auf Kosten der schwereren zu.

In der Atmosphäre gibt es noch geladene Teilchen, deren Konzentration ab 70 km Höhe bedeutend wird. Der Verlauf der Elektronendichte dient ebenfalls als Maß für die Unterteilung dieser ionischen Komponente, man nennt sie die D-, E- und F-Schichten. Sie spielten vor dem Zeitalter der Satellitentechnik für Radio- und Fernsehübertragungen eine große Rolle.
Die in der ionischen Schicht entstehenden elektrischen Ströme rufen außerdem eine Variation des Erdmagnetfeldes hervor. In Höhen oberhalb von 130 km kehrt sich die Situation jedoch um: Die Bahnen der Ionen (Strömungsrichtung der geladenen Teilchen) werden durch das Magnetfeld der Erde gelenkt. Man nennt diesen Bereich die Magnetosphäre er erstreckt sich über viele Erdradien.
Temperaturverlauf mit der Höhe über dem Erdboden und die Einteilung nach Schichten (Bild vergrößerbar).


Ionosphäre



Luftdruck

Wie alle Stoffe besitzen auch Gase ein Gewicht und üben einen Druck aus. Zum Beispiel lastet am Erdboden auf jedem Quadratzentimeter ein Gewicht von 1,033 kg, der auf den Luftdruck zurückgeht. Wäre die Gasdichte in allen Höhen gleich, dann müßte die Atmosphäre bei etwa 8000 m ihre Grenze haben, doch in Wirklichkeit reicht sie sehr viel weiter.
Unter dem Druck der oberen Schichten verdichtet sich das Gas, so daß die Luft sich mit zunehmender Höhe immer mehr verdünnt. Dies zeigte 1648 der Mathematiker Blaise Pascal (1623-1662), der seinen Schwager mit einem Hg--Barometer (Druckmeßgerät) einen 1500 m hohen Berg hinaufschickte, damit er feststellen konnte, ob die Quecksilbersäule fiel. Der Luftdruck p = p(h) halbiert sich etwa alle 5 Kilometer und wird durch die barometrische Höhenformel bestimmt:

p(h) = p0e-g(rho)0h/p0 ,

wobei p0 der Druck und (rho)0 die Dichte auf Meereshöhe bedeuten und g die Erdbeschleunigung.
Dichteverteilung ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Diffusions- und Sinkstrom.
Unterhalb von 50 km befinden sich 99,9% der atmosphärischen Masse, während die restlichen 0,1% auf einen kugelförmigen Bereich von über 500 km ausgedehnt ist. Eine scharfe Grenze gibt es nicht. Die Dichte wird schließlich so gering, daß die Teilchen kaum noch miteinander kollidieren, sie laufen auf Keplerbahnen im Gravitationsfeld der Erde herum. Teilchen, deren Geschwindigkeit über der Fluchtgeschwindigkeit liegt, können in den interplanetaren Raum entweichen. Dafür werden andere Teilchen eingefangen. Diesen Bereich nennt man die Exosphäre. Er beginnt etwa ab 500 km.


Chemische Zusammensetzung

Bis in die Neuzeit hinein galt Luft als eine einheitliche, homogene Substanz. Der erste, der erkannt hatte, daß die Luft ein Gemisch aus mehreren Gasen ist, war der Chemiker Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794). Während diverser Experimente erhitze er in einem geschlossenen Gefäß Quecksilber und stellte fest, daß es sich mit einem Teil der Luft verband und rotes Pulver bildete (HgO), 4/5 der Luft blieb aber stets zurück. Lavoisier mochte das Gefäß erhitzen, so viel er wollte, das restliche Gas zeigte keine chemische Reaktion. Eine Kerze erlöschte in diesem Gas, und Mäuse erstickten. Den verbrennungsfähigen Anteil nannte er Sauerstoff (oxygenium, O), den übrig gebliebenen Anteil Stickstoff (nitrogenium, N).

Henri Regnault (1810-1878) analysierte um 1850 Luftproben, die er aus allen Teilen der Welt zusammentrug, mit dem Ergebnis, daß die Zusammensetzung überall gleich war. Der Sauerstoffgehalt betrug immer 20,9%, während man annahm, der gesamte Rest bis auf Kohlendioxidspuren bestände aus Stickstoff.
Antoine Lavoisier
Lord Rayleigh (1842-1919) verglich 1894 den Luftstickstoff mit dem im Labor gewonnenen Stickstoff und bemerkte, daß derjenige in der Luft eindeutig eine größere Dichte besaß. Er vermutete, daß es in der Luft noch ein weiteres, schweres Gas geben mußte, welches aus der Luftprobe noch nicht extrahiert worden war. Mit Hilfe der Spektroskopie untersuchte er zusammen mit Sir William Ramsay (1852-1916) das Muster der Emissionslinien und fand heraus, daß es in der Luft tatsächlich ein neues Element gab, das später auf den Namen Argon (Ar) getauft wurde.

Über die Zusammensetzung der bodennahen Luftschichten gibt nachfolgende Tabelle einen Überblick.

Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Gas Symbol vol. Anteil [%] Gew.anteil [%]
Stickstoff N2 78.1 75.5
Sauerstoff O2 20.9 23.1
Argon Ar 0.9 1.3
Kohlendioxid CO2 0.03 0.045
Neon Ne 0.002 0.001
Helium He 5.2x10-4 7.3x10-5
Methan CH4 1.5x10-4 8.4x10-5
Krypton Kr 1.1x10-4 3.0x10-4
Wasserstoff H2 5x10-5 3.0x10-6
Stickstoffoxide N2O 3x10-5 8.0x10-5
....
Wasser (Mittel) H2O < 1.0 1 - 1.5

Nahezu der gesamte Anteil wird vom Stickstoff und Sauerstoff eingenommen. Die meisten anderen Gase haben wenig Einfluß auf das Verhalten der Atmosphäre. Lediglich die geringen Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon beeinflussen sie wesentlich: Die ersten beiden absorbieren die langwellige Wärmestrahlung, und Ozon schützt uns durch die Absorption der kurzwelligen Sonnenstrahlung.


Ozon

Ein wesentliches Element der Stratosphäre ist die Ozonschicht. Ozon ist eine besondere Form des Sauerstoffs. Normalerweise existiert Sauerstoff in einer stabilen Verbindung als zweiatomiges Molekül, Ozon stellt dagegen einen Dreierverband von Sauerstoffatomen dar. In 25 km Höhe, wo die Sonnenstrahlung stark ist, bricht die hochenergetische UV-Strahlung die normalen Zweiermoleküle des Sauerstoffs auf. Die Einzelatome lagern sich rasch an andere Zweiermoleküle an und bilden so das dreiatomige Ozon.
Ozon ist instabil und zerfällt wieder, und bei diesem Prozeß wird Wärmestrahlung frei. In der Stratosphäre wird somit die schädliche UV-Strahlung "geschluckt" und in Wärme umgewandelt. Auf diese Weise sorgt das Ozon dafür, daß die ultraviolette Strahlendosis stark abgeschwächt den Erdboden erreicht. 		Ozon Molekül
Bildung des Ozonmoleküls aus einem O-Atom und einem O2-Molekül.
Die Ozonschicht erstreckt sich von 10 bis 50 km Höhe. Dabei befindet sich die größte Konzentration bei 20-25 km, abhängig von der geographischen Breite und der Jahreszeit. Die Bildung von Ozon nahe der Erdoberfläche ist auf Luftverschmutzung zurückzuführen. Weil das Molekül instabil ist, entfaltet es beim Zerfall säureartige Wirkung: Es reagiert mit vielen Stoffen, bei denen normaler Sauerstoff noch nicht reagiert, und greift dadurch Atemwege und Augenschleimhäute an. Sein Vorhandensein am Erdboden ist daher für Lebewesen giftig.


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Last modified: 2003, Apr 03