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Die Schichten der Atmosphäre

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Der Aufbau der Atmosphäre

Die gesamte Luftmasse der Erdatmosphäre beträgt nur ca. ein Dreihundertstel der Wassermasse aller Ozeane bzw. ca. ein Millionstel der Erdmasse. Die Schichtdicke der Atmosphäre bis zur Obergrenze der Stratosphäre in 50 km Höhe (Stratopause) beträgt weniger als 1 % des Erdradius (6.378 km). Der Luftdruck beträgt dort nur noch rund ein Zweitausendstel des Druckes auf der Erdoberfläche (etwa 2 hPa). Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck und damit auch die Dichte der Atmosphäre weiter stetig ab, bis sie oberhalb von ca. 1.000 km fließend in den Weltraum übergeht.

Die Lufthülle (blau) ist im Vergleich zur Größe der Erde relativ dünn.

Großbild

Das Vorhandensein der Lufthülle der Erde beruht darauf, dass ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft (Gravitation) und den Eigenbewegungen der Moleküle bzw. Atome besteht. Die Gravitation hält, wie alle Massen, auch die Gase an der Erde fest. Infolge der Eigenbewegungen der Gasteilchen würden sie sich sonst durch Diffusion rasch in den Weltraum verflüchtigen. Wegen seiner geringeren Masse dürfte der Mars dieses Schicksal erlitten haben. Anders als Gasmoleküle mit großen Massen erreichen aber Gasmoleküle mit kleinen Massen bei geringen Drücken - wie sie oberhalb der Thermosphäre herrschen - und gleicher Temperatur höhere Geschwindigkeiten und haben deshalb gleichwohl eine größere Wahrscheinlichkeit, gegen die Erdanziehung in den Weltraum zu entweichen.

Der Druck nimmt bei konstanter Temperatur alle 5,5 km auf jeweils etwa die Hälfte seines vorherigen Wertes ab. In 18 km Höhe beträgt der Luftdruck nur noch ein Zehntel, in 55 km ein Tausendstel und in 110 km nur noch ein Millionstel des Bodenwertes.

Da Luft zudem stark komprimierbar ist, finden sich mehr als 50 % der Gesamtatmosphäre unterhalb von ca. 5,5 km. In Höhe der Stratopause beträgt der Luftdruck nur noch ein Tausendstel seines Werts auf Meereshöhe. 99,9 % der gesamten Atmosphäre befinden sich unterhalb dieser Höhe.

In der Exosphäre, wird die Dichte extrem gering. Luftdruck und Dichte sind einander proportional. Gasteilchen, genau genommen nur die leichtesten Gase Wasserstoff und Helium, können nun aufgrund ihrer hohen Bewegungsenergie und ihrer geringen Masse aus dem Schwerefeld der Erde entweichen.

Luftdruck und Luftdichte

In einer Höhe von 3.600 km ist die Atmosphäre schließlich so dünn, dass die über dem Äquator befindlichen geostationären Satelliten jahrelang praktisch reibungsfrei ohne Bahnkorrektur bleiben können.

 

Temperaturänderung der Atmosphäre
mit zunehmender Höhe

Die "Stockwerke" der Atmosphäre

In der Atmosphäre herrscht neben der bekannten horizontalen Temperaturverteilung (am Äquator herrscht eine höhere Temperatur als an den Polen) auch eine ausgeprägte vertikale Temperaturverteilung, die durch miteinander gekoppelte physikalische und chemische Prozesse bestimmt wird und die für den Transport der Luft und ihrer Bestandteile von großer Bedeutung ist. Die Atmosphäre kann aufgrund jeweils unterschiedlicher Eigenschaften und Vorgänge in 5 unterschiedliche Schichten unterteilt werden.
Üblich sind Einteilungen gemäß

  • des Temperaturverlaufs
  • der chemischen Zusammensetzung der Luft in Homosphäre und Heterosphäre und
  • des Ionisierungsgrads der Gasteilchen in Neutrosphäre und Ionosphäre.


In der Meteorologie spielen eigentlich nur die ersten beiden Punkte eine Rolle.

Die Temperatur zeigt einen charakteristischen Verlauf mit zunehmender Höhe, der überall auf der Erde gleich ist. Entsprechend ihres positiven oder negativen Temperaturgradienten wird die Atmosphäre in 5 Schichten ("Stockwerke") mit folgenden mittleren Höhen unterteilt:

1.

Troposphäre

0 bis 12 km

2.

Stratosphäre

12 bis 50 km

3.

Mesosphäre

50 bis 85 km

4.

Thermosphäre

85 bis 400 km

5.

Exosphäre

über 400 km

Die Exosphäre bildet den Übergang in den Weltraum. Sie wird teilweise nicht als eigene Schicht gezählt.

Oberhalb der Tropo- und Mesopause liegt wärmere über kälterer Luft, wie es gelegentlich auch am Boden bei Inversionswetterlagen zu beobachten ist. Dabei wird der Austausch zwischen warmer Bodenluft und kalter Luft darüber stark erschwert. In der Troposphäre kühlt sich aufsteigende Luft stark ab (um 6,5 °C auf 1.000 m) und kann dann - stark vereinfacht dargestellt - nicht in die darüber liegende wärmere Stratosphäre weiter aufsteigen.

Schichten der Atmosphäre

Die aus den Abbildungen oben und links ersichtlichen Wendepunkte des vertikalen Temperaturverlaufs werden in aufsteigender Reihenfolge als

  • Tropopause
  • Stratopause
  • Mesopause

bezeichnet. Die einzelnen Schichten werden auf diese Weise jeweils von einer "Pause" begrenzt.

Vertikales Temperaturprofil und Schichtung der Atmospäre vergrößern

 

Die vertikale Zusammensetzung der Atmosphäre

Die prozentuale Zusammensetzung der Atmosphäre aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Edelgasen ist in den unteren Schichten infolge der Durchmischung durch horizontale und vertikale Luftbewegungen nahezu gleichförmig (Homosphäre). In der Homosphäre befindet sich die überwiegende Masse der Atmosphäre, nämlich ca. 100 000 mal so viel wie in dem gesamten darüber liegenden Teil der Gashülle.

In der darüber liegenden Heterosphäre beginnt die Aufteilung der Gase aufgrund ihrer unterschiedlichen molaren Massen. Mit zunehmender Höhe bleiben schließlich nur noch die leichtesten Gase, Wasserstoff und Helium, übrig. In der Exosphäre können Wasserstoff und Helium aufgrund ihrer hohen mittleren Bewegungsenergie und ihrer geringen Masse schließlich aus dem Schwerefeld der Erde entweichen.

Für das Leben auf der Erde ist vor allem die Troposphäre wichtig.

 

Zusammenfassung

 

Höhe (km)

Temperatur (°C)

Bemerkungen

Troposphäre
Tropopause

0 - 11 [8-17]

15 →  - 56,5

Grenzschicht (~ 1 km) + Konvektionsraum
= Grundschicht (~ 3 km)

Stratosphäre
Stratopause

11 - 35
37 - 50

- 56,5 Isothermie
→ + 50

Kein Wasserdampf vorhanden
Ozonschicht: 20 - 50 km

Mesosphäre

50 - 80

→ -90

hohe Windgeschwindigkeiten

Thermosphäre

80 - 800

→ +1500

 

Exosphäre

800 - 3000

→ - 273 (Weltraum)

 

Ionosphäre

D-Schicht
E-Schicht
F1-Schicht
F2-Schicht

 

50 - 80
90 - 150
170 - 220
250 - 450

 

Durch UV werden Elektronen abgespalten

E: reflektiert sporadisch im UKW-Bereich
(E), F1, F2: reflektieren im HF-Bereich

 

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