Die unter Atmosphäre

Die unterste Schicht der Atmosphäre, die wir Troposphäre nennen, reicht von der Erdoberfläche bis zur Obergrenze der höchsten Wolken. In diesem Teil der Atmosphäre wird es umso kälter, je höher wir kommen. Zwischen der Troposphäre und der nächsten Schicht, der Stratosphäre, befindet sich die Tropopause. Sie ist nichts anderes als ein Temperaturminimum zwischen den Schichten. Ihre Höhe schwankt vor allem abhängig von der geographischen Breite aber auch mit der Jahreszeit. Typisch sind etwa 8 km in den polaren Regionen, 11 km in unseren Breiten und bis zu 18 km in den Tropen.

Wasserdampf

Wenn wir die Zusammensetzung der Luft angeben, dann handelt es sich immer um trockene Luft. Denn ohne den Wasserdampf ist diese Zusammensetzung von 99,99% der Luft weltweit gleich, nur die Spurengase sind unterschiedlich. Die Luftfeuchte jedoch variiert erheblich. So kann sehr kalte Luft nur 0,1% Wasserdampf enthalten während in den Tropen bis zu 4% erreicht werden. Am Nordpol und am Südpol finden wir in der oberen Troposphäre weniger als 1g Wasserdampf pro kg Luft, in den Tropen können es 30g sein. Diese großen Unterschiede machen es sehr schwer, Wasserdampf in Klimamodelle einzubeziehen.

Um die Vorgänge in der unteren Atmosphäre zu verstehen, müssen wir einige grundsätzliche Regeln berücksichtigen:

1) Warmluft steigt auf. Darum durchmischt sich die Luft, wenn am Morgen die Sonne aufgeht.
2) Wasser verdampft und steigt mit der hochsteigenden Luft in höhere (= kühlere) Regionen auf.
3) Kühlere Luft kann nicht soviel Wasserdampf aufnehmen. Sie kondensiert, bildet Wolken und manchmal beginnt es zu regnen.
4) An der Tropopause liegt ein Temperaturminimum vor. Wasser und Luft steigen dort nicht weiter auf. Nur ein sehr kleiner Anteil des Wassers und der Chemikalien, die in die untere Atmosphäre emittiert werden, gelangen auch über die Tropopause hinaus in die Stratosphäre.

Daraus folgt: Wetter (Verdunstung, Wolkenbildung, Regen, Schnee) und die meisten chemischen Umwandlung der Substanzen, die aus Ozeanen, Böden und Pflanzen sowie menschlicher Aktivität freigesetzt werden, laufen in der Troposphäre ab.

Der Treibhauseffekt und die globale Erwärmung

Das Leben auf der Erde wäre nicht möglich, gäbe es keinen natürlichen Treibhauseffekt. Ohne Treibhausgase wäre die Erde um etwa 33°C kälter und die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche betrüge -18°C anstelle von 15°C. Wasserdampf und Kohlendioxid sind die wichtigsten Treibhausgase. Wasserdampf trägt zu ungefähr 60% zum natürlichen Treibhauseffekt bei, Kohlendioxid zu etwa 20%. Treibhausgase fangen die von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme auf und halten sie dadurch in der Nähe der Erdoberfläche. Die folgende Abbildung zeigt, wie die 'Zentralheizung' unseres Planeten funktioniert.

4. Das Energie- und Strahlungssystem der Erde
Bild: Elmar Uherek

(1) Die Sonne ist Quelle aller Strahlung und Energie im Klimasystem.
(2) Ein Teil des Sonnenlichtes erreicht die Erdoberfläche.
(3) Die Erde nimmt nicht die gesamte Sonnenenergie auf (Absorption), sondern reflektiert einen gewissen Anteil. Reflexion bedeutet, die Strahlung wird zurückgeschickt, ohne dass sich die Erde erwärmt.
(4) Das Licht wird teilweise auch schon an der Oberseite der Wolken reflektiert.
(5) Die Aufnahme von Licht erfolgt nicht nur an der Erdoberfläche. Auch die Gasmoleküle und Partikel in der Luft absorbieren Sonnenlicht.
(6) Die von der Sonnenstrahlung erwärmte Erdoberfläche ist eine Quelle von Wärmestrahlung (langwelliger Infrarotstrahlung).
(7) Ein Teil dieser Energie wird benötigt um Wasser zu verdunsten.
(8) Ein Teil der Infrarotstrahlung geht direkt zurück ins Weltall, aber dieser Anteil ist klein.
(9) Wolken reflektieren nicht nur das Sonnenlicht. Sie absorbieren auch die Strahlung der Erde und strahlen wieder zurück. Ein wolkiger Himmel hält die Erde wärmer, wie eine Decke.
(10) Es befinden sich verschiedenste Gase und Partikel in der Luft, die die Infrarot-Strahlung absorbieren. Wir nennen die Gase Treibhausgase. Sie halten die Energie der Wärmestrahlung in der Nähe der Erdoberfläche fest.

Die wichtigsten vom Menschen beeinflussten Treibhausgase:

- Kohlendioxid (CO₂) kommt vor allem aus fossilen Brennstoffen.
- Methan (CH₄) wird von Kühen und anderen Wiederkäuern produziert, sowie aus Reisfeldern, Müllhalden und Öllagerstätten emittiert.
- Fluorchlorkohlenwasserstoffe (CFC's) wurden in Kühlsystemen und Treibgasen, sowie Schäumen und Reinigungsmitteln verwandt.
- Troposphärisches Ozon (O₃) hat seine Hauptquellen in Industrie und Verkehr.
- Distickstoffmonoxid (N₂O, Lachgas) wird auf mikrobiologischem Wege im Boden produziert. Die Emissionen steigen durch Düngung in der Landwirtschaft.

Chemie

Viele chemische Reaktionen laufen in der Troposphäre ab. Die Substanzen hierfür kommen aus verschiedensten Quellen: Pflanzen, Industrie, Straßenverkehr, Ozeane ... . Nahezu alle organischen (auf Kohlenstoff basierenden) Verbindungen in der Troposphäre reagieren mit einer der drei folgenden Spezies. Diese sind die Hauptoxidantien und reinigen die Luft von schädigenden Chemikalien.

• das Hydroxyl-Radikal - OH
• das Nitrat-Radikal - NO₃
• und Ozon - O₃.

Hydroxyl-Radikale werden nur durch den Einfluss von Sonnenlicht gebildet und sind sehr reaktiv. Daher können sie nicht lange in der Atmosphäre existieren. Weil sie mit fast allen Substanzen in der Luft reagieren, nennt man sie auch die 'Waschmittel' der Atmosphäre. Nitrat-Radikale werden in der Dunkelheit gebildet und durch Sonnenlicht zerstört. Sie reinigen somit die Atmosphäre während der Nacht. Um diese Radikale und auch Ozon zu bilden, sind drei 'Zutaten' notwendig: Sauerstoff, Sonnenlicht und die Stickoxide Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂ (Beide zusammen werden auch NO_x genannt).

Ozonsmog

Während Ozonsmog-Ereignissen können in der Atmosphäre hohe Ozonkonzentrationen gebildet werden. Da Ozon ein Reizgas ist, das für die menschliche Gesundheit schädlich ist, sind die Prozesse, die zu seiner Bildung führen, gut untersucht.

7. Die Bildung von Ozonsmog
Bild: Elmar Uherek - Bild bitte zum Vergrößern anklicken! (100 K)

Im Themenfeld UNTERE ATMOSPHÄRE der Klimaenzyklopädie betrachten wir Treibhauseffekt, troposphärisches Ozon, Vegetationsfeuer und andere Prozesse in der uns umgebenden Luftschicht im Detail.