Erdatmosphäre

Atmosphäre der Erde, aufgenommen von der ISS (2013)

Die Atmosphäre der Erde, auch Erdatmosphäre (von altgriechisch ἀτμόςatmós, deutsch ‚Dampf‘ und σφαῖραsphaira, deutsch ‚Kugel‘) ist die gas­förmige Hülle der Erdoberfläche und eine der sogenannten Erdsphären. Sie hat einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse.

Ihre vertikale Gliederung ist durch unterschiedliche Temperaturen bedingt. Das Wettergeschehen findet in den unteren etwa 10 Kilometern statt, der Troposphäre. Die höheren Schichten haben keinen großen Einfluss mehr.

Zusammensetzung

Die bodennahen Schichten bis in etwa 90 km Höhe (Kármán-Linie der Raumfahrt) haben eine recht gleichförmige Zusammensetzung, weshalb man auch von Homosphäre spricht. Was als Luft bezeichnet wird, besteht im Wesentlichen bei Außerachtlassen des wechselnden Wasserdampfgehalts (d. h. in Volumenprozent trockener, wasserdampffreier Luft) aus:
78,08 % Stickstoff (N2), 20,95 % Sauerstoff (O2) und 0,93 % Argon (Ar), dazu Aerosole und Spurengase, darunter Kohlenstoffdioxid (CO2, mit derzeit 0,04 %, nach Wasserdampf der wichtigste Verursacher des Treibhauseffekts), ferner Methan (CH4), Ozon (O3), Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoff­verbindungen.[1]

Tabellarische Auflistung einiger Gase in der Atmosphäre
GasProzentanteil
Stickstoff78,08 %
Sauerstoff20,95 %
Argon0 0,93 %
Kohlenstoffdioxid0 0,04 %

Für die Entstehung des Wetters ist neben der Energie­zufuhr durch die Sonnenstrahlung und ihrer tages- und jahreszeitlichen Schwankung hauptsächlich der Gehalt an Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 % Vol. bis etwa 4 % Vol. in der Luft vor, siehe Luftfeuchtigkeit. Die regionale Sonneneinstrahlung hängt über den Gehalt an Aerosolen auch von der Transparenz der Atmosphäre ab.

Die Hochatmosphäre ist ein bereits sehr dünnes Gas, in das auch hochenergetische Anteile der Sonnenstrahlung noch eindringen können. Durch kurzwelliges UV-Licht werden die Moleküle dissoziiert und teilweise ionisiert. Ferner kommt es in Höhen über etwa 100 km auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb dieser Abschnitt auch Heterosphäre genannt wird. Mit wachsender Höhe nehmen daher die Anteile leichterer Teilchen wie Wasserstoffatome und Helium zu. Diese beiden Elemente entweichen thermisch bedingt allmählich in den Weltraum.

Aufbau

Aufbau der Atmosphäre der Erde
Durchschnittliche Temperatur und molare Masse der Luft in Abhängigkeit von der Höhe
Durchschnittlicher Luftdruck und Luftdichte in Abhängigkeit von der Höhe
Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

Schichtung

Die Atmosphäre weist eine Masse von etwa 5,15 · 1018 kg auf (5,15 Billiarden Tonnen), also knapp ein Millionstel der Erdmasse. Sie besteht hinsichtlich ihres vertikalen Temperaturverlaufs, insbesondere dessen Gradienten, aus mehreren Schichten:

Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre bezeichnet, Stratosphäre und Mesosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und die Thermosphäre als obere Atmosphäre.

Vor allem in der Troposphäre – der Wettersphäre – zeigt sich eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung und des Gehalts an Wasserdampf, weshalb dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt. Außer nach dem Temperaturverlauf lässt sich die Lufthülle auch nach anderen Gesichtspunkten einteilen:

Nach dem aerodynamischen Zustand
  • Prandtl-Schicht (etwa 0–50 m)
  • Ekman-Schicht (etwa 50–1000 m)
  • Prandtl-Schicht + Ekman-Schicht = planetare Grenzschicht = Peplosphäre
  • Freie Atmosphäre (>1 km)
Nach dem Durchmischungsgrad
  • Die Homosphäre ist turbulent durchmischt und reicht bis zur Homopause in etwa 100 km Höhe.
  • Darüber beginnt die Heterosphäre. Hier trennen sich die Teilchen nach ihrer Molmasse, da die molekulare Diffusion dominiert.
Nach dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre
  • Neutrosphäre (Gase überwiegend im neutralen, also nicht-ionisierten Zustand)
  • Ionosphäre (ionisierte Gase, in der Thermosphäre eingelagert, >80 km)
  • Plasmasphäre (vollständige Ionisation aller Teilchen, >1000 km,)
  • Magnetosphäre

Nach chemischen Gesichtspunkten lassen sich außerdem die Ozonosphäre (Ozonschicht in 16–50 km Höhe) und eine Chemosphäre (20–600 km) abgrenzen.

Grenze zum Weltraum

Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich, man kann keine scharfe Obergrenze der Atmosphäre ziehen. In der Exosphäre (oberhalb der Exobase in ~600 km Höhe) ist die mittlere freie Weglänge so groß, dass Teilchen entweichen können, wenn sie die Fluchtgeschwindigkeit erreichen können. Einzelnen Wasserstoffteilchen wird das durch Zusammenstöße bereits bei mittleren Geschwindigkeiten von 3–4 km/s möglich.

Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km (Kármán-Linie) als Grenze angesehen. Diese Definition ist international weitestgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird zum Beispiel von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert.

Erforschung

Die untere Atmosphäre, insbesondere die Troposphäre, ist das Forschungsfeld der Meteorologie, wohingegen die mittlere und obere Atmosphäre (Stratosphäre, Mesosphäre) in den Bereich der Aerologie gehören.

Messungen erfolgen in Bodennähe mit dem vollen Spektrum der meteorologischen Messgeräte. In der Höhe, besonders in Bezug auf Höhenprofile, stellen Radiosonden, meteorologische Raketen, Lidars, Radars und Wetter- beziehungsweise Umweltsatelliten die wichtigsten Messverfahren dar. In der Zukunft werden voraussichtlich auch Höhenplattformen wie das High Altitude and Long Range Research Aircraft eine größere Rolle spielen.

Entwicklung

Die Entwicklung der Atmosphäre ist ein Teil der chemischen Evolution der Erde und zudem ein wichtiges Element der Klimageschichte. Sie wird heute in vier wesentliche Entwicklungsstufen unterschieden.

Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H2) und Helium (He) bestehende Gashülle, die jedoch wieder verloren ging.

Der Vulkanismus als wesentlicher Faktor der Atmosphärenentwicklung

Durch die langsame Abkühlung der Erde und den dabei auftretenden Vulkanismus kam es zu einer umfangreichen Ausgasung aus dem Erdinneren. Die dadurch erzeugte Atmosphäre bestand zu etwa 80 % aus Wasserdampf (H2O), zu 10 % aus Kohlendioxid (CO2) und zu 5 bis 7 % aus Schwefelwasserstoff. Dabei handelt es sich um die Produkte des Vulkanismus, die auch heute noch beobachtet werden können. Der hohe Anteil des Wasserdampfs erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt noch zu warm war, um Niederschläge bilden zu können. Es gab also noch keine Gewässer auf der Erde. Der eigentliche Ursprung des Wassers ist umstritten.

Nachdem die Temperatur der Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers fiel, kam es zu einem extrem langen Dauerregen, nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden.

Die hohe UV-Einstrahlung bedingte eine photochemische Zerlegung der Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und Stickstoff relativ anreicherten. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum. Kohlenstoffdioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst und von C-autotrophen Mikroorganismen zum Teil verbraucht. Unverändert blieb der inerte Stickstoff. Dieser wurde mit der Zeit weiter relativ angereichert und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre.

Entwicklung des O2-Gehaltes während der letzten Jahrmilliarde

Der Sauerstoff O2 spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung zur heutigen Atmosphäre. Cyanobakterien mit oxygener Photosynthese führten als C-Autotrophe zu einem weiteren Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, bildeten aber vor allem (möglicherweise schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beginnend) Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch zunächst gering, weil der gebildete Sauerstoff in den Ozeanen bei der Oxidation von Eisen(II)-Ionen und Schwefelwasserstoff verbraucht wurde. Erst vor etwa zwei Milliarden Jahren begann Sauerstoff in die Atmosphäre zu entweichen, als die mit Sauerstoff reagierenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Milliarde Jahren überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre drei Prozent, wodurch sich im Verlauf der nächsten 400 Millionen Jahre allmählich eine erste Ozonschicht bilden konnte. Vor 500–600 Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt, bedingt durch das erste massenhafte Auftreten von Landpflanzen, rapide an und erreichte vor 350 Millionen Jahren erstmals das heutige Niveau. Nach mehreren starken Schwankungen während des Erdmittelalters erreichte der Luftsauerstoffgehalt schließlich den heutigen Wert von 21 %.

Literatur

  • Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde – Eine Einführung in die Meteorologie. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-20656-6.
  • Kshudiram Saha: The Earth’s Atmosphere – Its Physics and Dynamics. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-78426-5
  • Mark Z. Jacobson: 0-521-54865-9 of Atmospheric Modeling. Cambridge University Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-54865-9
  • C. N. Hewitt, Andrea V. Jackson (Herausgeber): Handbook of Atmospheric Science – Principles and Applications. Blackwell, Malden (Massachusetts) 2003, ISBN 0-632-05286-4
  • Kristian Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht – Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Springer Spektrum, Heidelberg 2001, ISBN 3-8274-1174-2
  • Edmond Murad, Iwan P. Williams: Meteors in the Earth’s Atmosphere – Meteoroids and Cosmic Dust and their Interactions with the Earth’s Upper Atmosphere. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-80431-0

Weblinks

Commons: Erdatmosphäre – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Atmosphäre – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. http://cdiac.ornl.gov/tracegases.html (Memento vom 20. August 2016 im Internet Archive)

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Top of Atmosphere.jpg
View of the crescent moon through the top of the Earth's atmosphere. Photographed above 21.5°N, 113.3°E by International Space Station crew Expedition 13 over the South China Sea, just south of Macau (NASA image ID: ISS013-E-54329).
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Aufbau der Erdatmosphäre (Europa, Sommer)
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Sauerstoffgehalt-1000mj.svg

Dieses Diagramm stellt die Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre im Lauf der letzten Jahrmilliarde dar. Als Referenz zeigt die gestrichelte rote Linie die heutige Konzentration von 21% an.

Es ist anzumerken, dass die Zeiträume, in denen vergangene Schwankungen der O2-Konzentration auftraten, oft nur relativ grob abgeschätzt werden können. Daher erhebt das Diagramm keinen Anspruch auf Exaktheit, sondern kann nur einen groben Überblick der Entwicklung auf der Ebene erdgeschichtlicher Perioden geben. Dieses Diagramm beruht auf Mittelwerten bzw. Übereinstimmungen aus mehreren Publikationen[1][2][3][4].

Erläuterung der Kurve:

Nachdem bereits im Präkambrium die Ausgasung von Sauerstoff aus den Ozeanen begonnen hatte, stieg der Sauerstoffgehalt etwa Anfang des Kambriums sprunghaft von 3% auf 12% an, da nun endgültig alle Sauerstoffsenken abgesättigt waren. Ungefähr zur gleichen Zeit setzte die Kambrische Explosion ein. Während des Silur und Devon eroberten Pflanzen das Land, während sich das Tierreich noch immer praktisch ausschließlich auf das Wasser beschränkte. Dies löste einen weiteren schnellen und kontinuierlichen Anstieg der Sauerstoffkonzentration aus. Im darauffolgenden Karbon hatte diese 35% erreicht[5], was Riesenwuchs vor allem bei Insekten begünstigte. Auch Amphibien und erste Reptilien besiedelten mittlerweile das Land.

Massive vulkanische Tätigkeit verursachte am Perm-Trias-Übergang nicht nur ein Absacken des Sauerstoffgehalts auf 15%, sondern auch das größte Massenaussterben der Erdgeschichte. Die Sauerstoffkonzentration erholte sich nun über einen langen Zeitraum und erreichte Mitte des Jura wieder 26%, in der Kreide vermutlich sogar 30%. In dieser Zeit lebten auch die größten Saurier.

Das Ende der Kreidezeit wird durch ein Impaktereignis und einen Klimawandel mit Massenaussterben markiert. Vor 40 Millionen Jahren betrug der Sauerstoffgehalt nur noch 23% und hatte den heutigen Wert von 21% vor 25 Millionen Jahren erreicht. Seitdem ist er, abgesehen von Schwankungen im Promillebereich, konstant.

  1. Gunnar Ries: Dicke Luft bei den Sauriern
  2. Geologie-Forum @ Geoversum: Massensterben an der Perm-Trias Grenze: Durch Sauerstoffmangel erstickt?
  3. Die Zusammensetzung der Atmosphäre im Phanerozoikum (diese ältere Quelle geht noch irrtümlich von einem nahe-rezenten Luftsauerstoffanteil bereits im Kambrium aus.)
  4. Erdgeschichte: Fauna und Flora korreliert mit veränderten Umweltbedingungen
  5. wissenschaft.de: Gigantismus, Fliegen und Antiaging: Sauerstoffreiche Luft löste vor 300 Millionen Jahren einen Innovationsschub aus