Die Atmosphäre

Luft, die uns umgibt.

Auch wenn wir ihre Gasmoleküle nicht sehen, so besteht Luft doch aus realer Materie. Fallschirmspringer tauchen in derselben Weise in Luft ein, wie wir in Wasser eintauchen können.

Der Widerstand ist zwar viel schwächer, aber er ist vorhanden. Du Luft um uns besteht aus zahllosen unsichtbaren Molekülen und Atomen, die durch den leeren Raum fliegen. Diese Moleküle und Atome kollidieren mit sich selbst oder mit Strahlungsteilchen von der Sonne oder Erde. In einigen Fällen kommt es zu chemischen Reaktionen. Große Moleküle können auch aneinander haften bleiben und kleine Partikel bilden. Wassermoleküle kondensieren an solchen Partikeln und lassen sie zu Wolkentropfen wachsen. Diese werden mehr und mehr und bilden schließlich die Wolken, die wir am Himmel sehen.

Zusammensetzung

Wenn wir den Wasserdampf nicht einbeziehen, so besteht die Luft, die uns umgibt, aus etwa:

78,08 % Stickstoff (N₂)
20,95% Sauerstoff (O₂)
0,93% Argon

Diese Gase machen 99,96% der Luft aus. Was ist nun mit Kohlendioxid, Methan, Ozon, Kohlenwasserstoffen, FCKW und anderen Gasen, von denen wir vielleicht schon einmal gehört haben? Kohlendioxid hat den größten Anteil an den Spurengasen und ist zu etwa 0,037% in der Luft enthalten. Alle anderen Gase finden wir in noch viel kleineren Anteilen. In einer Million Luftmolekülen finden wir in der Regel weniger als ein Molekül solch anderer Gase. Trotzdem sind sie von großer Bedeutung für unser Klima.

Die Dimension der Atmosphäre

Schauen wir in den Himmel, so können wir die Dicke der Atmosphäre leicht überschätzen. In Wahrheit bildet sie nur eine sehr dünne Hülle um die Erdkugel. Fliegen wir mit einem Flugzeug in einer Höhe von 11 - 12 km (dies ist an der Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre), so befinden sich etwa 75% aller Luftmoleküle unter uns. Dies bedeutet, dass eine Schicht, die nur ein tausendstel der Dicke des Erddurchmessers hat (Erddurchmesser = 12800 km), etwa ¾ der gesamten Masse der Atmosphäre enthält. Im Größenvergleich ist dies nicht mehr als eine 1 cm dicke Schneeschicht auf einem vierstöckigen Haus. Doch in dieser Schicht bilden sich die Wolken und spielt sich das gesamte Wettergeschehen ab.

Das Temperaturprofil und atmosphärische Schichten

Wir können die Schichten in der Atmosphäre nicht mit unseren Augen sehen aber wir können verschiedene Änderungen im Temperaturtrend messen, wenn wir von der Erdoberfläche aus in immer größere Höhen gehen. Diese Wechsel bestimmen die Lage der atmosphärischen Schichten.

Die Troposphäre ist die unterste Schicht. In ihr fällt die Temperatur mit der Höhe.
In der Stratosphäre steigt sie wieder an.
Oberhalb der Stratosphäre befindet sich die Mesosphäre, in der die Temperatur wiederum mit der Höhe fällt.
Die Thermosphäre schließlich bildet die letzte Schicht und zeigt einen Temperaturanstieg mit der Höhe.

Zwischen den Schichten gibt es jeweils einen Punkt, an dem sich der Temperaturtrend umkehrt, die sogenannten '-pausen'. So befindet sich zwischen Troposphäre und Stratosphäre die Tropopause, der Stratosphäre folgt die Stratopause und zwischen Mesosphäre und Thermosphäre liegt die Mesopause. Letztere bildet den kältesten Punkt der Atmosphäre. Hier können Temperaturen von -100°C erreicht werden!

Im Gegensatz zur Temperatur fallen Druck und Dichte stetig mit der Höhe. Die Luft wird dünner. In einem bestimmten Luftvolumen, in dem es an der Erdoberfläche noch 1000 Sauerstoffmoleküle gibt, ist es in 50 km Höhe nur noch ein Molekül.

Die Wechselwirkung von Licht und Luft

Die Sonne erwärmt die Oberfläche der Erde. Je weiter wir uns von der Erdoberfläche entfernen, desto kälter wird es. Dieser Trend bestimmt die Temperaturabnahme in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre.

Was bewirkt nun die Umkehrung dieses Trends in der Stratosphäre? Die Luft wird wärmer, wenn bestimmte Moleküle die Energie der Sonne aufnehmen können. In der Stratosphäre sind dies die Ozon-Moleküle der Ozonschicht. Die Eigenschaften solcher Moleküle bestimmen unser Klima ganz erheblich. Die Menge an Energie, die ein Molekül aufnimmt, hängt von ihm selbst und der Wellenlänge (Energie) des Lichtes ab.

Die Animation rechts zeigt drei Beispiele.

• Mikrowellen haben nur wenig Energie. Sie bringen Moleküle zum Rotieren, aber sie können keine Bindungen brechen.
• Infrarote Strahlung (IR) ist etwas stärker. Die Moleküle beginnen zu schwingen und die Bindungslängen ändern sich. Dies passiert, wenn Treibhausgase die Energie aufnehmen, die die Erdoberfläche zurück in den Weltraum strahlt.
• Ultraviolettes Licht (UV) hat noch mehr Energie und die Bindungen brechen. Dies passiert, wenn in der Ozonschicht Licht von der Sonne aufgenommen wird.
   

Die Absorption von Sonnenenergie durch das Ozon sorgt also dafür, dass ein Teil dieser Energie in der Stratosphäre gehalten wird. Hierdurch erwärmt sie sich und der Trend mit der Höhe abfallender Temperatur kehrt sich um. Ein ähnlicher Prozess spielt sich in der Thermosphäre ab. Hier aber absorbieren Sauerstoff und Stickstoff noch höher energetisches Licht der Sonne. Die Energie ist so stark, dass nicht nur Bindungen gebrochen werden sondern sich geladene Teilchen bilden, die wir Ionen nennen. Darum wird die Thermosphäre oft auch als Ionosphäre bezeichnet.