Übersicht
1.1 Der Ursprung Der Atmosphäre
1.3 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
2. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
2.3 Absorption und Streuung von Strahlung
3. Der Wärmehaushalt der Atmosphäre
4.1 Forschungsprojekt StratoClim
4.2 Forschungsprojekt Stratospheric Change and its Role fot Climate Prediction (SHARP)
1. Der Aufbau der Atmosphäre
Die Atmosphäre der Erde ist eine Hülle aus Gasen und suspendierenden Partikeln und lässt sich als Schutzhülle unseres Erdballs verstehen (Klose 2008: 10). Diese Hülle ist das Resultat eines Gleichgewichts zwischen der Schwerkraft und einer Eigenbewegung der Atome (Klose 2008: 9).
Dabei lässt sich die Atmosphäre beim Aufbau auf zwei Arten betrachten: einmal den vertikalen Aufbau und einmal die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre selbst.
1.1 Der Ursprung der Atmosphäre
Über den Ursprung der Atmosphäre lässt sich, genauso wie über den Ursprung der Erde selbst, nur spekulieren. Laut Kosmologen war die Erde nach dem Urknall ein feuriger Ball, der mit einer heißen Gashülle um die Sonne kreiste (Saha 2008: 9). Diese Gashülle wird auch als Urnebel angesehen (Kappas 2009: 71). Danach geht man davon aus, dass eine rasche Abkühlung erfolgte, was dazu führte, dass sich einerseits durch Kondensation die Ozeane und Wasserflächen bildeten, andererseits Stoffe in Gestein eingeschlossen wurden. Der Rest blieb als Gashülle zurück und ermöglichte ein Leben auf der Erde (Saha, 2008: 9). Die Atmosphäre der Erde ist also das Produkt einer langen Entwicklung.
1.2 Der vertikale Aufbau
Die Atmosphäre kann man sich bildlich als einen Kuchen mit mehreren Etagen und Füllungen dazwischen vorstellen. Insgesamt gibt es 5 Schichten in der Atmosphäre (Kappas 2009: 72ff.).
Vom Erdboden aus kommt als erstes die Troposphäre, an den Polen reicht sie nur fünf Kilometer in die Höhe, am Äquator wächst die Höhe auf bis zu 17 Kilometer an (Kappas 2009: 73). In der Troposphäre spielt sich das gesamte pflanzliche und tierische Leben, sowie das Wetter ab (Kappas 2009: 73). Sie ist von der Höhe her gesehen die dünnste der Schichten, hat jedoch die höchste Dichte. In ihr befinden sich 90% der gesamten Erdluftmasse (Kappas 2009: 73). Die Grenze zur nächsten Schicht bildet die Tropopause (Kappas 2009:73). Auf die Troposphäre folgt die Stratosphäre. Sie bildet mit der Mesosphäre die mittlere Atmosphäre (Kappas 2009: 73). Die Stratosphäre reicht bis zu 50 Kilometer über den Erdboden (Saha 2008: 20) und ist somit ca. 35 Kilometer mächtig. Die auf die Stratosphäre mit ihrer Stratopause folgende Mesosphäre reicht bis etwa 80 Kilometer in die Höhe und hat somit eine Mächtigkeit von gut 30 Kilometern (Saha 2008: 20). Nach der Mesopause folgt die letzte Schicht, die Thermosphäre (Saha 2008: 20). Darüber folgt der Übergang in das Weltall (Kappas 2009: 73).
1.3 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff mit 78,09%, Sauerstoff mit 20,95%, Agron mit 0,93% und Kohlendioxid mit 0,035% (Kappas 2009: 71). Die restlichen Bestandteile werden als Spurenelemente zusammengefasst, da ihr Anteil sehr gering ist; zu nennen sind hier aber Neon, Helium und Ozon (Kappas 2009: 71). Interessant ist, dass ca. 99% der gesamten Masse in der Troposphäre zu finden sin (Klose 2008: 10).
Um die jeweiligen Anteile der einzelnen Stoffe besser und anschaulicher darzustellen, gibt es die sogenannte Säulenhöhe. Diese gibt an, wie hoch ein komprimiertes Gas unter Normalbedingungen wäre, Normalbedingungen sind dabei 0°C und 1013hPa (Wagner, Walter 2017: 16). Das nebenstehende Diagramm zeigt, dass Stickstoff 6250 Meter hoch wäre und Sauerstoff 1670 Meter. Zu Argon liegt schon ein gigantischer Sprung auf nur 74 Meter, gefolgt vom Wasserstoff mit 35 Metern. Der Anteil des Ozons ist so gering, dass es eine Säulenhöhe von gerade mal 0,035 Metern erreicht (Wagner, Walter 2017: 16). Da der Anteil des Ozons so gering ist, wird es meistens in der Einheit Dubson Unit (DU) angegeben, da es trotzdem sehr wichtig ist (Kappas 2009: 72). 1000 Du entsprechen dabei einem Zentimeter der Ozonsäulenhöhe. Das Ozon hat somit eine DU von ca. 300 DU (Kappas 2009: 72).
2. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
Für den Strahlungshaushalt der Atmosphäre sind zwei Größen von besonderer Bedeutung, einmal die solare Einstrahlung der Sonne, auch Solarstrahlung genannt, und die thermische Strahlung von der Erde selbst.
2.1 Thermische Strahlung
Bei der Atmosphäre handelt es sich um ein Kollektiv an Atomen und Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung aber auch einem thermischen Gleichgewicht stehen und so thermische Strahlung emittieren. (Wagner, Walter 2017: 5)
Die thermische Strahlung geht von der Erdoberfläche und der Atmosphäre selbst aus und hat eine Wellelenlänge von ca. 10 Nanometer oder kurz nm (Wagner, Walter 2017: 1). Die thermische Strahlung wird entweder von der Erde und Atmosphäre selbst wieder absorbiert oder in das Weltall ausgestrahlt. Dabei gilt, dass ein Gas nur so viel Strahlung absorbieren kann, wie es auch aufnehmen kann (Wagner, Walter 2017: 5).
2.2 Solare Einstrahlung
Die solare Einstrahlung ist eine der wichtigsten Komponenten des auf der Erde möglichen Lebens, da sie die Voraussetzung für die Temperaturverteilung in der Atmosphäre ist (Kappas 2009: 74).
Bei der solaren Einstrahlung, kurz Solarstrahlung, handelt es sich um die von der Sonne kommende Strahlung. Die mittlere solare Einstrahlung liegt bei ca. 342 Watt pro Quadratmeter (Kappas 2009: 74). Da die Umlaufbahn der Erde elliptisch und nicht kreisförmig ist, besitzt die Solarstrahlung einen Jahresgang und einen Korrekturwert von 1,033 zum Perihel (sonnennächster Punkt) und 0,967 zum Aphel (sonnenfernster Punkt) (Kappas 2009: 74).
Da die Solarstrahlung bis in die Stratosphäre vordringen kann, ist sie ein wichtiger Baustein bei der Ozonproduktion, da sie diese anregt (Kappas 2009: 74; Klose 2008: 14).
2.3 Absorption und Streuung von Strahlung
In der Atmosphäre sind vor allem Ozon und Wasserdampf für die Absorption verantwortlich. Während der Wasserdampf und strahlungsaktive Gase die langwellige thermische Strahlung absorbieren, streuen und absorbieren das Ozon und die anderen Aerosole 18 % der solaren Strahlung als auch der UV-Strahlung (Kappas 2009: 78). Da die strahlungsaktiven Gase und das Ozon die Strahlung auch wieder abgeben, wird ein Teil ins Weltall abgegeben und der andere Teil als Himmels- und Gegenstrahlung zurück zur Erde gestrahlt. Diese Rückstrahlung wird auch Treibhauseffekt genannt (Kappas 2009: 78). Die Atmosphäre schütz somit vor der UV-Strahlung und sorgt dafür, dass genug der eigenen thermischen Strahlung innerhalb der Atmosphäre bleibt und zu globalen Temperaturen führt, die das Leben auf der Erde begünstigt.
3. Der Wärmehaushalt der Atmosphäre
Jede Schicht der Atmosphäre hat eine eigene Temperaturverteilung.
In der Troposphäre nimmt die Lufttemperatur proportional mit der Höhe ab, die tiefste Temperatur liegt hier bei -80°C (Wagner, Walter 2017: 73). Bei einer mittleren Temperatur von ca. 15°C an der Erdoberfläche, nimmt die Temperatur um 6,5°C pro Kilometer ab (Saha 2008: 20). Die Tropopause, also der Punkt der tiefsten Temperatur in ca. 15 Kilometern Höhe, bildet die Grenzschicht zur Stratosphäre (Wagner, Walter 2017: 85). Die Tropopause ist zeitgleich die Grenze der Wasserdampfsphäre (Saha 2008: 20). In der Stratosphäre steigt die Temperatur wieder auf bis zu 0°C (Saha 2008: 20). Grund für diesen Anstieg ist das in der Stratosphäre vorkommende Ozon, das die UV-Strahlung absorbiert, welche somit als Wärmequelle dient (Saha 2008: 20). Bei der Temperaturzunahme in der Stratosphäre muss man in die untere und obere Stratosphäre unterteilen, da in der unteren die Temperatur um ca. 0,5 Kelvin pro 100 Meter ansteigt und in der oberen um 2 Kelvin pro 100 Meter (Wagner, Walter 2017: 87). In der darüber folgenden Mesosphäre fällt die Temperatur auf bis zu -100°C und ca. 80 Kilometern Höhe. In der letzten Schicht, der Thermosphäre, erfolgt abermals ein Temperaturanstieg, da hier die ungefilterte Solar- und UV-Strahlung abgefangen wird (Saha 2008: 20).
4. Forschungsprojekte
4.1 Forschungsprojekt StratoClim
Bei dem Forschungsprojekt StratoClim handelt es sich um ein von der europäischen Kommission gefördertes Programm. Das Hauptziel von StratoClim ist die Verbesserung des Verständnisses der Schlüsselprozesse in der oberen Troposphäre und Stratosphäre, um zuverlässigere Projektionen des Klimawandels und des stratosphärischen Ozons zu erstellen. Grund dafür ist, dass es unzureichende Darstellungen der von komplexen Wechselwirkungen und Rückkopplungen gibt (Rex. 2020: o.S). Dazu gehören die natürlichen und anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen, Aerosolvorläufern, die atmosphärische Dynamik und chemische, sowie mikrophysikalische Prozesse (Abalos, Legras, Shuckburgh 2016: 1ff). Dazu sollen Prozesse, sowie deren Auswirkungen auf den Klimawandel besser verstanden werden.
Schlüsselkampagnen waren dabei Höhenflüge über den asiatischen Monsumgebieten mit innovativer und umfassender Nutzungslast (Unter Nutzungslast versteht man hier die Lasten, die die genutzten Transportmittel aufnehmen können) (Li, et al.2020: 1ff.), die Messung der Intensivität des tropischen stratosphärischen Ozons (Bossay, et al. 2015: 96 ff.), sowie neu entwickelte Satellitenprogramme.
4.2 Forschungsprojekt Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP)
Das SHARP Projekt befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphärenchemie und dem Klimawandel und möchte das Verständnis und die Fähigkeit zur Vorhersage des Klimawandels mit der Wechselwirkung mit der Stratosphäre verbessern. Dazu wurde der Fokus auf die quantitative Erkennung, Zuordnung und Vorhersage von Veränderungen in der Stratosphärendynamik gelegt (Kircher. 2020: o.S.).
5. Fazit
Die Atmosphäre ist mehr als nur Luft. Ohne sie wäre jegliche Art von Leben auf der Erde nicht möglich: Einmal, weil sie buchstäblich unsere Luft zum Atmen ist, aber auch weil sie uns durch ihre Streuung und Absorption vor der solaren und UV- Strahlung schützt. Und obwohl schon sehr viel von ihr erforscht ist, gibt es immer wieder neue Ansätze für Forschungsprojekte und so ist die Faszination für die Atmosphäre und ihre Eigenschaften bis heute ungebrochen. Der Mensch möchte sie bis ins kleinste Detail verstehen und ihre Veränderungen vorhersagen können, nicht nur was das Wetter betrifft, denn schon eine kleine Veränderung kann vielleicht großen Schaden folgen lassen.
Quellen
Die Merkhilfe: Atmosphäre – Bestandteile, Aufbau, Schichten & Zusammensetzung einfach erklärt – Lufthülle der Erde (2018); https://www.youtube.com/watch?v=w_jXQXZKsZg
Kirchner, I. (2020): SHARP – Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction https://www.geo.fu-berlin.de/en/met/sharp/index.html [08.01.2021]
Klose, B. (2008): Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre. Berlin, Heidelberg.
Rex, M. StratoClim http://www.stratoclim.org/ [08.01.21]
Saha, K. (2008): The Earth’s atmosphere. Its physics and dynamics. Berlin
Wagner, T.; Walter, R. (2017): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 5. Aufl., Berlin, Heidelberg.
Abbildung 1 https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Atmosph%C3%A4re_Stufen.svg
Abbildung 2 selbst erstellt mit daten von Kappas, M. (2009): Klimatologie. Klimaforschung im 21.Jahrhundert – Herausforderung für Natur- und Sozialwissenschaften. Heidelberg.
Abbildung 3 Wagner, T.; Walter, R. (2017): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 5. Aufl., Berlin, Heidelberg.
Graphical Abstract selbst erstellt (2020)