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Einführung

Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle der Erde. Sie umspannt diese wie ein dünner Schutzfilm gegen den kalten und leeren Weltraum. Auf dem Bild rechts ist die Atmosphäre als dünner blauer Rand an der Grenze zum schwarzen Weltraum zu erkennen.

Sie besteht aus einem Gemisch verschiedener Gase, die vom Schwerefeld der Erde festgehalten werden. Die Atmosphäre ist darum an der Erdoberfläche am dichtesten und geht in großen Höhen fließend in den interplanetaren Raum über.

Mit einer Mächtigkeit von ca. 700 km ist sie - verglichen mit der Größe der Erde - relativ dünn.

Zum Vergleich:

  • Der Mt. Everest ist als höchster Berg der Erde 8,8 km hoch.
  • Passagierflugzeuge fliegen in einer Höhe von ca. 12 km.
  • Die Erde hat jedoch einen Durchmesser von knapp 6.400 km.

Vom Weltraum aus betrachtet erscheint die Erde als blauer Planet mit eingesprenkelten weißen Feldern, den Wolken. Die blaue Farbe entsteht durch die Lufthülle der Erde. In der Atmosphäre wird das kurzwelligere blaue Sonnenlicht stark gestreut, während das langwelligere rote Licht weitgehend die Atmosphäre durchdringen kann.

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 51.015 Tonnenund macht somit knapp ein Millionstel der Erdmasse aus. , die Größe der Erdoberfläche beträgt etwa 510,106 km². Da der Druck als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck ein globaler Überschlagswert von 1,105 N/m².

Die Atmosphäre ist für die Existenz von Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung, denn in ihr spielen sich die physikalischen Prozesse ab, die u. a. das Wettergeschehen bestimmen. Darüber hinaus ist sie Teil von lebenswichtigen Kreisläufen.

Die Erdatmosphäre ist als dünner blauer Rand zu erkennen

Die Erdatmosphäre ist als dünner blauer Rand zu erkennen

 

Erdkugel

Funktionen der Atmosphäre

Die Atmosphäre hat eine Reihe lebenswichtiger Funktionen, indem sie

  • das Leben vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum schützt (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne),
  • Sonnenlicht als lebensnotwendige Energiequelle zur Oberfläche der Kontinente und Ozeane durchlässt,
  • vor Auskühlung und Überhitzung durch Wärmeausgleich zwischen Tag und Nacht schützt,
  • eine durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde von ca. + 15 °C, gegenüber sonst ca. - 18 °C, ermöglicht,
  • Energie in Form fühlbarer Wärme der Luft und latenter Wärme des Wasserdampfs aus Bereichen in Äquatornähe zu mittleren und höheren Breiten transportiert,
  • Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf durch die dynamischen Prozesse der allgemeine Zirkulation transportiert und verteilt und damit die Niederschlagsverteilung bestimmt,
  • den Hauptspeicher für Stickstoff bildet,
  • ein Reservoir für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff darstellt,
  • natürliche und anthropogene (durch Menschen verursacht) Emissionen verteilt und diese durch Oxidation, Reaktionen mit Radikalen und Photolyse umsetzt und abbaut sowie
  • vor kleineren Meteoriten schützt, die beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und so die Erdoberfläche nicht erreichen.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre

Die frühen Griechen dachten, daß "Luft" zusammen mit Erde, Feuer, und Wasser eine von vier elementaren Substanzen sei. Im frühen 19. Jhd. wurde jedoch erkannt, daß sich die Atmosphäre tatsächlich aus mehrerem chemisch verschiedenem Gasen zusammensetzt. Nun war man imstande, die verschiedenen Anteile innerhalb der niederen Atmosphäre voneinander zu trennen und zu bestimmen. Als Hauptbestandteile der Atmosphäre wurden Stickstoff, Sauerstoff und ein kleiner Betrag von etwas Unverbrennbarem erkannt, was später sich als Argon erwies. Die Entwicklung des Spektrometers erlaubte es in den 1920er Jahren in der Atmosphäre Gase zu finden, die in viel kleineren Konzentrationen vorkamen, wie Ozon und Kohlendioxyd.

Die Luft ist also ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gemisch verschiedener Gase. Dieses Gasgemisch hat die Hauptbestandteile Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid. Weiterhin sind Spuren der Edelgase Helium, Neon, Krypton und Xenon enthalten. Die atmosphärische trockene Luft besteht zu rund 78% aus Stickstoff, zu rund 21 % aus Sauerstoff und zu 1% aus CO2 (Kohlendioxid) und weiteren Gasen, wie z.B. den Edelgasen. Diese Luftzusammensetzung ist bis zu einer Höhe von etwa 100 km konstant. Erst in größeren Höhen kommt es zu einem erheblich höheren Anteil an Wasserstoff und Edelgasen. Bis zu einer Höhe von rund 20 km ist fast stets Wasserdampf in stark schwankenden Anteilen (bis zu 4 Vol.-%) in der Luft enthalten.

Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre

 

Volumenanteil in % 

Stickstoff  78,08
Sauerstoff 20,95
Argon 0,934
Kohlendioxid 0,035
Neon 0,0018
Helium 0,0005
Methan 0,00017
Krypton 0,0001
Wasserstoff 0,00005
Distickstoffmonoxid 0,00003
Kohlenmonoxid 0,00002
Xenon 0,000009
Zusammensetzung von Luft

Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff mit 78% und Sauerstoff mit 21%.

Das restliche 1% sind Bestandteile wie Kohlenstoff-Sauerstoff- und Stickstoff-Sauerstoffverbindungen sowie Edelgase, insbesondere Argon mit allein schon 0,93%.

Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid bilden zusammen 99,998 % der Atmosphäre.

 

Obwohl Stickstoff und Sauerstoff für das menschliche Leben auf dem Planeten notwendig sind, haben sie wenig Wirkung auf das Wetter und die anderen atmosphärischen Prozesse. Die anderen Bestandteile, die weit weniger als 1 % der Atmosphäre ausmachen, haben einen viel größeren Einfluss sowohl auf das Kurzzeitwetter als auch auf langfristige Klima. Zum Beispiel sind Anteilsschwankungen bei Wasserdampf in der Atmosphäre uns als relative Feuchtigkeit vertraut. Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Distickstoffmonoxid und Schwefeldioxid haben alle eine wichtige Eigenschaft: Sie absorbieren Wärme, welche die Erde ausstrahlt und erwärmen so die Atmosphäre und schaffen dadurch das, was wir den "Treibhauseffekt" nennen. Ohne diese sogenannten Treibhausgase würde die Oberfläche der Erde um ungefähr 30° C kühler sein - zu kalt für das Leben, wie wir es kennen. Obwohl der Treibhauseffekt oftmals als von Übel dargestellt wird, wärmen Spurengase wie das CO2 die Atmosphäre unseres Planeten genug, um das Leben zu ermöglichen und zu erhalten.

 

Wasserdampf in der Luft

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre ist sehr unterschiedlich, sowohl in den verschiedenen Regionen der Erde und in verschiedenen Höhen als auch von Tag zu Tag und von Jahreszeit zu Jahreszeit. Außerdem sind die Phasenübergänge vom Wasserdampf zum flüssigen Wasser und zu Eis bzw. in umgekehrter Richtung sehr häufig, was den Volumensanteil des Wasserdampfes örtlich und zeitlich stark beeinflußt. Wasserdampf ist eine besonders wichtige Gaskomponente im Luftgemisch, da er bei vielen atmosphärischen Vorgängen von fundamentaler Wirksamkeit ist und in dem komplexen Prozeß „Wetter" den wichtigsten Faktor darstellt. Auch für das Wohlbefinden des Menschen und der Organismen spielt der wechselnde Wasserdampfgehalt der Luft eine nicht zu unterschätzende Rolle. Dem Wasserdampf in der Atmosphäre kommt deshalb in der Meteorologie eine ganz herausragende Bedeutung zu.

Mehr dazu steht im Kapitel Wasserdampf.

 

Physikalische Eigenschaften der Atmosphäre

Vorher wurde erläutert, daß sich die Atmosphäre aus einer Mischung vieler verschiedener Gase zusammensetzt. Dieses Gemisch verhält sich im wesentlichen so, als ob es ein einzelnes Gas wäre. Als Ergebnis dieses Umstands beschreiben die folgenden Verallgemeinerungen die Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck, Dichte und Volumen:

  • Bei konstanter Temperatur, ist die Dichte eines Gases proportional zum Druck, während das Volumen umgekehrt proportional zum Druck ist. Dementsprechend führt eine Zunahme des Drucks zu einer Zunahme der Dichte des Gases und einer Abnahme seines Volumens.
  • Bei konstantem Volumen, ist der Druck eines Gases proportional zur Temperatur. Eine Temperaturzunahme führt folglich zu einer Zunahme des Drucks, wenn das Volumen unverändert bleibt.
  • Bei konstantem Druck, ist die Temperatur eines Gases proportional zu dessen Volumen, während sich die Dichte umgekehrt proportional verhält. Eine Erhöhung der Temperatur führt so zu einer Zunahme des Volumens des Gases, während seine Dichte abnimmt.
  • p: Druck
    v: Volumen
    R: Gaskonstante
    T: Temperatur
    ρ (rho): Dichte

Diese Zusammenhänge ergeben sich mathematisch aus dem Idealen Gasgesetz. Dessen allgemeine Zustandsgleichung beschreibt den Zustand des idealen Gases bezüglich der Zustandsgrößen Druck p, Volumen V, Temperatur T und Dichte ρ. Die Gleichung kann in verschiedenen, zueinander äquivalenten Formen formuliert werden, wobei alle diese Formen den Zustand des betrachteten Systems in gleicher Weise und eindeutig beschreiben. Zwei einfache Gleichungen, wie rechts angeführt, genügen um dies darzustellen.

adiabatische Hebung

Wie im Kapitel Strahlungshaushalt ausgeführt, wird der größte Teil der Strahlungsenergie der Sonne vom Boden aufgenommen, sie wird absorbiert, d.h. die Energie der Strahlung wird in Wärmeenergie der Erdoberfläche umgewandelt. Entscheidend ist dabei, daß Luft insoweit als Isolator fungiert. Sie ist nämlich als Gas ein ausgesprochen schlechter Wärmeleiter, weil die Moleküle wie bei jedem Gas weit voneinander entfernt sind und deshalb im Mittel selten von der Strahlung getroffen werden und zudem die ggf. erhaltene höhere Energie schlecht an benachbarte Moleküle abgeben können. Deswegen wird die Luft vom Boden aus erwärmt und nicht etwa direkt durch die Sonnenstrahlung. Die am Boden erwärmte Luft dehnt sich aus und steigt dabei auf, d.h. Konvektion setzt ein, Segelflieger sprechen von Thermik.

Steigt die warme Luft bis in größere Höhen auf, wo es kälter ist, kondensiert der darin enthaltene Wasserdampf, es entstehen Wolken. Als Nebeneffekt wird Kondensationswärme an die Luft abgegeben. Es entstehen Cumuluswolken, die aus diesem Grund auch konvektive Wolken genannt werden. Wird die Luft horizontal verschoben, z.B. durch unterschiedliche Erwärmung des Bodens (Land/Meer) spricht man auch von Advektion. Aufgrund von Temperaturunterschieden entstehen unterschiedliche Luftdruckwerte und zum Ausgleich des Druckgefälles wird die Luft überwiegend horizontal in Bewegung gesetzt, es entsteht Wind. Der Wind sorgt durch Turbulenz für eine Durchmischung der Luft, wobei ebenfalls ein Wärmeaustausch stattfindet.

 

 

 

Temperaturgradient der Troposphäre

Wie eben erwähnt, nimmt die Temperatur in der Troposhäre mit der Höhe ab. Dies wird in der Meteorologie als Temperaturgradient bezeichnet. Dieser ist definitionsgemäß in der Troposphäre im Mittel positiv. Besondere vertikale Temperaturgradienten sind:

Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, dem hydrostatischen Gleichgewicht und der idealen Gasgleichung ergibt sich, daß eine trockenadiabatisch geschichtete Atmosphäre eine konstante Temperaturabname mit der Höhe aufweist von 0,98 °C/100 m.(Hinweis: Für Prüfungsaufgaben wird insoweit mit 1 °C/100 m bzw. 3 °C/1.000 ft gerechnet.) Bei einer feuchtadiabatischen Schichtung, nimmt die Temperatur hingegen langsamer mit der Höhe ab. Feuchtadiabatisch aufsteigende Luftpakete werden durch die freiwerdende Kondensationswärme erwärmt, d.h. je höher die Feuchte der Luft, desto mehr Kondensationswärme kann frei werden und desto geringer ist folglich der feuchtadiabatische Temperaturgradient. In den Tropen kann er so u.U. nur 0,4 °C/100 m bzw. 1,2 °C/1.000 ft betragen, während er sich aufgrund des geringen Feuchtegehalts in der kalten Polarluft an den Polen sich nur wenig vom trockenadiabatischen Temperaturgradienten unterscheidet. In mittleren Breiten beträgt der Mittelwert des feuchtadiabatischen Gradienten 0,6 °C/100 m bzw. 1,8 °C/1.000 ft. Die durch ICAO genormte ISA-Atmosphäre definiert für die Höhenmessung und verschiedene andere Zwecke der Luftfahrt einen konstant mit der Höhe abnehmenden ISA-Temperaturgradient von 0,65 °C/100 m oder 2 °C/1.000 ft.

Der tatsachliche Temperaturgradient einer realen Luftmasse (engl.: environmental lapse rate - ELR) ist ein mit der Höhe und der Luftfeuchte variierender Wert, wobei der Wert beliebig positiv wie auch negativ sein kann.

 

Treibhaus-Effekt und UV-Filter

Beim normalen Treibhaus, wie wir es kennen, läßt das Glas den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung hindurch, der langwellige Anteil hingegen nicht, er wird absorbiert. Das führt zu einer starken Temperaturerhöhung im Glashaus. Die Funktion des Glases wird beim Treibhauseffekt der Erdatmosphäre von den sog. Treibhausgasen übernommen. Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon bewirken durch Absorption und Emission unterschiedlicher Wellenlängen seit Bestehen der Erde einen Treibhauseffekt, der entscheidenden Einfluß auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Der überwiegende Teil des Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von ca. 36 - 70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) von dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf verursacht. Kohlendioxid trägt ca. 9 - 26% zum Treibhauseffekt bei, Methan ca. 4 - 9 %, und Ozon etwa. 3 - 7 %. Dabei spielt der Ozongehalt in der Stratosphäre eine sehr wichtige Rolle für das Klima. Die Ozonschicht filtert nämlich den überwiegenden Teil der für den Menschen und alles Leben auf dem Planeten schädlichen, kurzwelligen UV-Strahlung heraus.

 

 

ICAO-Standardatmosphäre

Die ICAO (International Civil Aviation Organization) hat für die Luftfahrt eine Norm-Atmosphäre definiert, die ISA (International Standard Atmosphere):

Luftdruck in NN (MSL)

1013,2 h£Ä

Lufttemperatur in NN

15°C

Relative Luftfeuchte

0%

Dichte in NN

1,255 Kg/m3

Temperaturabnahme

0,65°C/100m   =   2°C/1.000 ft

Tropopausenhöhe

36.000 ft (11 Km)

Tropopausentemperatur

-56,5°C

Zusammensetzung der Luft

78% Stickstoff    21% Sauerstoff    1% Edelgase

Diese Parameter entsprechen den mittleren atmosphärischen Verhältnissen in den gemäßigten Breiten. Für die Höhenmessung gilt für das Meeresniveau (MSL) Höhe = 0 m. Da der auf Meeresniveau reduzierte Luftdruck tatsächlich kaum einmal exakt 1013,25 hPa beträgt, muß dieser Standardwert beim Start des Flugzeuges entsprechend korrigiert werden. Dazu wird der Höhenmesser auf den QNH-Werts des Flugplatzes eingestellt. Die Standardatmosphäre enthält formal keinen Wasserdampf.

Weitere Einzelheiten dazu stehen im Kapitel Standardatmosphäre.

 

 

 

Die Erdatmospäre

 

Lufthülle im Vergleich zum Erddurchmesser

 

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