Erde – Atmosphäre

Zusammensetzung und Entwicklung

Die Erdatmosphäre bezeichnet die Lufthülle zwischen der Erdoberfläche und dem offenen Weltraum. Sie wird in mehrere Schichten unterteilt, die aber miteinander wechselwirken können und auf diese Weise ein hochkomplexes, dynamisches System bilden. Dieses System interagiert mit weiteren Faktoren – zum Beispiel dem Sonnenwind, oder erhöhtem Gasausstoß durch Vulkanausbrüche – und bestimmt damit letztendlich sämtliche Klima- und Wetterphänomene.

Hauptbestandteile der Erdatmosphäre (Bodennähe, in Volumenprozent)
Stickstoff 78,0 %
Sauerstoff 21,0 %
Wasserdampf wechselnder Anteil (0-4%)
Spurenelemente:
Argon
Kohlenstoffdioxid
Neon
Helium
0,934 %
0,038 %
0,001818 %
0,000524 %

In der Nähe der Erdoberfläche besteht die Atmosphäre zu über drei Vierteln (78%) aus Stickstoff, welcher durch biologische und chemische Prozesse im Erdboden freigesetzt wird. Den zweitgrößten Anteil bildet mit knapp 21% der Sauerstoff. Er entsteht hauptsächlich durch die Photosynthese betreibenden grünen Pflanzen. Den Rest der Atmosphäre machen Wasserdampf und verschiedene Spurenelemente und Edelgase aus. Die Wasserdampfkonzentration ist unter anderem abhängig von der jeweiligen Wetterlage und dem Ort, an dem die Messungen durchgeführt werden. Von den Edelgasen besitzt Argon den höchsten Anteil, Neon und Helium kommen in geringeren Spuren vor. Das den Treibhauseffekt mit verursachende Kohlendioxid hat trotz seiner Wirkung nur einen Anteil von rund 0,38%.

Diese Zusammensetzung hatte die Erdatmosphäre allerdings nicht immer. Nach der Entstehung unseres Planeten vor rund 4,5 Milliarden Jahren kühlte dieser zunächst langsam ab. Gleichzeitig fanden intensive vulkanische Aktivitäten statt, wodurch große Mengen Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefeldioxid freigesetzt wurden. Diese Gase bildeten vermutlich die eigentliche Ur-Atmosphäre. Wegen der extrem hohen Temperaturen, die über dem Siedepunkt von Wasser lagen, konnte der Wasserdampf nicht kondensieren und verblieb im gasförmigen Zustand. Erst als die Temperatur merklich und dauerhaft abfiel, konnte der Wasserdampf kondensieren und als Regen zu Boden fallen, wo er seinen Teil zur Entstehung der Ozeane beitrug. Im weiteren Zeitverlauf sorgte die energiereiche ultraviolette Strahlung dafür, dass Wassermoleküle, sowie andere Elemente (Methan, Ammoniak, usw) aufgespalten wurden, was langfristig zu einer Anreicherung von Kohlendioxid und Stickstoff führte.

Während dieser Zeit hatten sich in den Ozeanen schon die ersten Mikroorganismen entwickelt, die das im Meerwasser gelöste Kohlendioxid für ihre Zwecke benutzten. Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren begannen einige Arten von Cyanobakterien damit, Sauerstoff zu produzieren. Zunächst wurde der Sauerstoff noch im Meerwasser von diversen Elementen gebunden, doch nach weiteren 1,5 Milliarden Jahren war genug Sauerstoff vorhanden, um in die Atmosphäre zu entweichen, wo er im Laufe von einigen hundert Millionen Jahren eine dünne Ozonschicht bilden konnte. Vor ungefähr 500 bis 600 Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre dann sprunghaft an, was auf die aufkommende Artenvielfalt von Photosynthese betreibenden Pflanzen zurückgeführt werden kann. Nach starken Schwankungen liegt der Sauerstoffgehalt heute bei etwa 21 Prozent.

Aufbau der Erdatmosphäre

Schichten der Erdatmosphäre (Courtesy of NASA)
Schichten der Erdatmosphäre (Courtesy of NASA)
Schichten der Erdatmosphäre (Courtesy of NASA)
Schichten der Erdatmosphäre (Courtesy of NASA)

Oben und Links: Diese beiden Abbildungen zeigen den Schichtaufbau der Erdatmosphäre. Die Schichten haben nicht immer dieselbe Dicke, hier spielen viele Faktoren eine Rolle, zum Beispiel der Standort, Schwankungen des Luftdrucks, Einfluss des Wetters, der Jahreszeiten und Ähnliches. Hohe Berge wie der Mount Everest durchstoßen die untersten Schichten der Erdatmosphäre logischerweise und "schieben" sie nicht nach oben.

Jede Atmosphärenschicht wird durch eine relativ dünne Grenzschicht von der darüber liegenden Schicht abgetrennt. Die Troposphäre als unterste Schicht wird demnach von der so genannten Tropopause von der nachfolgenden Schicht, der Stratosphäre, abgegrenzt. Die Grenzsschicht zwischen Stratosphäre und Mesosphäre bildet die Stratopause. Über der Mesopause folgt dann die Thermosphäre, die ihrerseits durch die Thermopause von der äußersten Schicht, der Exosphäre getrennt ist. In den Abbildungen ist die Thermopause allerdings nicht explizit angegeben, da ihre Höhe sehr stark schwankt und nicht exakt gemessen werden kann. Die Exosphäre geht ohne feste Grenzschicht mit zunehmendem Abstand von der Erde langsam in den offenen Weltraum über.

Die Masse der Erdatmosphäre beträgt insgesamt ungefähr 5,15 * 1018 Kilogramm, was rund einem Millionstel der Erdmasse entspricht. Sie ist etwa so schwer wie ein Dreihundertstel des Wassers in den weltweiten Ozeanen. Mit circa 90 Prozent ist der Großteil ihrer Masse in der Troposphäre konzentriert und ermöglicht durch den höheren Luftdruck und die höhere Dichte am Boden die Entwicklung und das Überleben der zahlreichen Tier- und Pflanzenarten.

 

Troposphäre und Tropopause

Wie bereits erwähnt, wird die unterste Schicht der Erdatmosphäre als Troposphäre bezeichnet. Ihre Dicke ist abhängig vom Standort: An den Polen ist sie etwa acht Kilometer dick, während es in der Äquatorregion bis zu 18 Kilometer sind. Der beachtliche Unterschied erklärt sich durch die Zentrifugalkraft, ausgelöst durch die Erdrotation. Am Äquator bildet sich gewissermaßen ein Wulst aus. In den Polargebieten kommen zudem noch jahreszeitliche Schwankungen hinzu – im Winter ist die Troposphäre nur etwa 6 Kilometer dick.

Fast alle Wetterphänomene finden in dieser sehr dynamischen Luftschicht statt. Die Entstehung des Wetters wird zum einen dadurch begünstigt, dass die Troposphäre nahezu den gesamte freien Wasserdampf enthält. Der Wasserdampf spielt eine wesentliche Rolle bei der Bildung von Wolken und Regen. Ein anderer Faktor ist die ständige Durchmischung: Die bodennahe Luftschicht nimmt Wärme auf, die von der Erdoberfläche abgestrahlt wird. Die nun wärmere Luft steigt nach oben, während kältere Luftschichten absinken.

Die Zirkulation der Luft ist im Zusammenspiel mit anderen Einflüssen dann für die bekannten Wetterphänomene verantwortlich. Die Lufttemperatur innerhalb der Troposphäre nimmt durchschnittlich alle 1.000 Höhenmeter um etwa 6,5 Grad Celsius ab. An ihrer oberen Grenze, der Tropopause, hat sich die Luft in den äquatorialen Gebieten bis auf -75 Grad Celsius abgekühlt, an den Polen sind es etwa -50 Grad Celsius. Aufgrund der tiefen Temperaturen kann der atmosphärische Wasserdampf praktisch vollständig kondensieren, was bedeutet, dass sich in höheren Lagen kaum noch Wolken bilden können. Auch die Grenzschicht unterliegt regionalen und saisonalen Schwankungen, was ihre Dicke und ihren genauen Verlauf betrifft. Einen absoluten Verlauf gibt es daher nicht, da er von vielen Parametern abhängt, welche in die Berechnungen für die Höhe einbezogen werden. Je nach Definition ergibt sich ein geringfügig anderer Verlauf der Tropopause.

 

Stratosphäre und Stratopause

Über der Tropopause befindet sich die zweite Atmosphärenschicht, die Stratosphäre. Sie reicht bis in eine Höhe von etwa 50 Kilometern und besteht aus sehr trockener Luft, weil der Wasserdampf größtenteils bereits in der Troposphäre und der Tropopause zu Wolken kondensiert ist. Auffallend ist ein ansteigender Temperaturverlauf mit zunehmender Höhe (siehe Bild oben). Die Temperaturen steigen von circa -70 Grad Celsius in der unteren Stratosphäre zunächst sehr langsam auf -60 Grad Celsius in 20 Kilometern Höhe an. Darauf folgt ein steiler Anstieg auf Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt von Wasser (0 Grad Celsius) in 40 bis 50 Kilometern Höhe.

Verantwortlich für den Temperaturanstieg ist die Ozonschicht, welche in einer Höhe zwischen 15 und 50 Kilometern liegt und die maßgeblich an der Absorbtion der gefährlichen ultravioletten Strahlung beteiligt ist. Die Strahlung spaltet Sauerstoffmoleküle auf, wobei – in Wechselwirkung mit anderen freien Sauerstoffatomen – Ozonmoleküle entstehen und Wärmeenergie freigesetzt wird. Gleichzeitig werden Ozonmoleküle in molekularen und atomaren Sauerstoff aufgespalten, der wiederum mit anderen Sauerstoffatomen zu Ozonmolekülen reagiert. Es ist also im Prinzip ein sich selbst erneuernder Kreislauf, bei dem allerdings noch einige andere Faktoren eine Rolle spielen (Stichwort FCKW).

Ozonloch über der Antarktis im Jahr 2006 (Courtesy of NASA)
Ozonloch über der Antarktis im Jahr 2006 (Courtesy of NASA)
Neue Untersuchungen haben ergeben, dass die Stratosphäre trotz ihrer stabilen Schichtung und ihrer sehr trockenen Luft einen wesentlich größeren Einfluss auf das globale Wettergeschehen hat, als man angenommen hatte. Speziell geht es um stratosphärische Wirbel, die sich über den Polarregionen der Erde bilden. Der Wirbel über dem Nordpolargebiet beeinflusst etwa das Winterwetter in Mitteleuropa: Ist er stabil, transportieren Westwinde relativ milde Luft aus Richtung Atlantik nach Europa. Bricht er jedoch zusammen, können eisige Winde aus nordöstlichen Richtungen sehr kalte Luft nach Europa bringen, was einen harten Winter nach sich zieht.
Ähnliche Vorgänge spielen sich im Südpolarkreis ab. Hier interagiert das dortige Ozonloch zusätzlich mit dem Wirbel, was dessen Stabilität beeinflusst. Das nebenstehende Bild zeigt die Ausdehnung des Ozonlochs über der Antarktis im Jahr 2006. Die damalige Fläche betrug knapp 27,5 Millionen Quadratkilometer. In den letzten Jahren konnte sich die Ozonschicht über der Antarktis aber wieder leicht erholen. Das Ozonloch schrumpft also, wenn auch nur sehr langsam.

Auch in den Tropen gibt es stratosphärische Strömungen, die durch ihre Lage und Richtung die Bahnen von Hurricanes und Taifunen mitbestimmen können. Die obere Grenzschicht, analog zur Tropopause als Stratopause bezeichnet, stellt das erste Maximum im vertikalen Temperaturprofil der Erdatmosphäre dar, das man gut auf dem zweiten Bild von oben erkennen kann.

 

Mesosphäre und Mesopause

Leuchtende Nachtwolken über Nordrhein-Westfalen, 10.07.2015 (astropage.eu)
Leuchtende Nachtwolken über Nordrhein-Westfalen, 10.07.2015 (astropage.eu)

Die mittlere der fünf Atmosphärenschichten wird Mesosphäre genannt. Sie beginnt über der Stratopause in ungefähr 50 Kilometern Höhe und reicht bis in circa 80-90 Kilometer Höhe. Charakteristisch für diese Schicht ist ein steiler Temperaturabfall von etwa 0 Grad Celsius auf durchschnittlich -90 Grad Celsius, wobei es starke jahreszeitliche Temperaturschwankungen gibt. Auch der Luftdruck sinkt dramatisch ab. Weil in der Mesosphäre kaum noch Ozon vorhanden ist, wird die energiereiche ultraviolette Strahlung nicht absorbiert, sondern nimmt gefährliche oder sogar tödliche Werte an. In der Mesosphäre entstehen unter bestimmten Voraussetzungen auch die höchstgelegenen Wolken: Die so genannten Leuchtenden Nachtwolken befinden sich meist in Höhen zwischen 60 und 75 Kilometern und sind für den Beobachter sichtbar, wenn sie von der bereits unter dem Horizont liegenden Sonne von unten angestrahlt werden.

In dieser Atmosphärenschicht verglüht auch der Großteil der kleineren Meteore, was man dann als Sternschnuppe sieht. Besonders beeindruckend sind die regelmäßig auftretenden Meteorschauer, zum Beispiel die Leoniden, die Perseiden oder die Geminiden. Nach oben wird die Mesosphäre von der Mesopause begrenzt. Sie liegt während der Sommermonate in etwa 80-85 Kilometern Höhe, im Winter dagegen liegt sie um 100 Kilometer hoch. Ihr genauer Verlauf hängt wie bei den anderen Grenzschichten von der herangezogenen Definition ab. Allgemein kann man sagen, dass sie das zweite Minimum im vertikalen Temperaturprofil der Erdatmosphäre kennzeichnet.

Thermosphäre und Thermopause

Die vierte und vorletzte Atmosphärenschicht ist die Thermosphäre. Ihr Name lässt schon vermuten, dass hier etwas mit der Temperatur geschieht (Thermos bedeutet Wärme auf griechisch). In der Tat ist in dieser Schicht ein enormer Temperaturanstieg zu verzeichnen. Die Thermospäre beginnt oberhalb der Mesopause und reicht in eine Höhe von 500 bis 600 Kilometern. Die Temperatur steigt hier von -90 Grad Celsius auf über 1.500 Grad Celsius, teilweise können auch 1.800 Grad Celsius erreicht werden. Wegen der extrem geringen Luftdichte sind diese Temperaturen aber nicht mit dem entsprechenden Wert auf der Erdoberfläche vergleichbar – sie würden sich trotzdem kalt anfühlen, weil kein messbarer Wärmetransport stattfinden kann.

Deswegen ist es dem Menschen auch möglich, in diesen Höhen zu arbeiten und wissenschaftliche Experimente durchzuführen. Die Internationale Raumstation ISS und das Space Shuttle umkreisen die Erde in einer Höhe von rund 350 Kilometern. Auch wenn die Luftdichte bereits millionenfach geringer als in Bodennähe ist, reicht sie doch aus, um einen langfristigen Bremseffekt auf Raumschiffe oder eben Raumstationen auszuüben. Daher muss die ISS in regelmäßigen Abständen ihre Triebwerke zünden und auf eine höhere Umlaufbahn gebracht werden, weil sie sonst früher oder später in den tieferen Atmosphärenschichten verglühen würde.

Aurora über Lac du Flambeau, Wisconsin/USA (Courtesy of NASA)
Aurora über Lac du Flambeau, Wisconsin/USA (Courtesy of NASA)
In der Thermosphäre entsteht aber auch ein Großteil der berühmten Polarlichter. Sie werden von energiereichen Teilchen des Sonnenwindes verursacht, die in den Polregionen der Erde in die Atmosphäre eintreten und dort befindliche Moleküle zum Leuchten anregen. Man unterscheidet zwischen den Nordpolarlichtern (Aurora borealis) und den Südpolarlichtern (Aurora australis). Ihr Erscheinungsbild umfasst vier Typen: Corona sind kronenförmig, daneben gibt es noch farbenprächtige Vorhänge, sowie geschwungene Bögen und langgezogene Bänder. Die unterschiedlichen Farben entstehen durch die verschiedenen Moleküle, welche Licht mit einer jeweils anderen Wellenlänge emittieren. Grünliche Farben entstehen beispielsweise durch grünes Licht, das von Sauerstoffmolekülen in etwa 100 Kilometern Höhe abgestrahlt wird.

Wie bei allen Grenzschichten kann auch die Höhe und der Verlauf der Thermopause nicht absolut und exakt nachgezeichnet werden. Je nachdem, welche Berechnungsparameter zugrunde gelegt werden, ergibt sich eine Höhe zwischen 500 und 800 Kilometern.

 

Exosphäre

Die Erde, aufgenommen aus der Exosphäre (Courtesy of NASA)
Die Erde, aufgenommen aus der Exosphäre (Courtesy of NASA)

Die Exosphäre dient als äußerste Schicht als allmählicher Übergang in den offenen Weltraum. Sie beginnt über der Thermopause und weist ähnliche Temperaturverhältnisse wie die unter ihr liegende Thermosphäre auf, also zwischen 300 und 1.500 Grad Celsius. Die dort vorkommenden chemischen Elemente ordnen sich gemäß ihrer Atommasse an: Die schwereren Moleküle in tieferen Bereichen der Exosphäre an, während sich die leichteren Elemente weiter außen befinden. Wasserstoff als leichtestes Element bildet die äußerste Schicht, deren Gasdichte mit zunehmendem Abstand von der Erde weiter abnimmt. Das Gravitationsfeld der Erde kann die Teilchen dort irgendwann nicht mehr festhalten und sie entweichen in den offenen Weltraum. Wegen dem praktisch fließenden Übergang kann man keine klare Grenzschicht zwischen Exosphäre und dem offenen, interplanetaren Weltraum erkennen. Es gibt jedoch den Begriff der Exopause, die rund 10.000 Kilometer von der Erde entfernt liegt.