Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre (v. griechisch atmos: Dunst, und sphaira: Kugel) ist die gasförmige Hülle der Erde. Sie kann entsprechend dem Temperaturverlauf in mehrere Schichten eingeteilt werden:

  • die Troposphäre reicht an den Polen bis ca. 7 km Höhe und am äquator bis ca. 17 km, sie wird durch die Tropopause begrenzt.
  • die Stratosphäre beginnt an der Topopause und reicht bis 50 km Höhe, begrenzt durch die Stratopause,
  • die Mesosphäre zwischen 50 und rund 80 km wird durch die Mesopause begrenzt,
  • die Thermosphäre zwischen 80 und etwa 800 km,
  • die Exosphäre bis etwa 10.000 km bildet die äußerste Schicht.
Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre, der Bereich Stratosphäre/Mesosphäre als mittlere Atmosphäre und die Schicht Thermosphäre/Exosphäre als obere Atmosphäre bezeichnet.

Die Luftschicht bis etwa 90 km Höhe hat eine recht gleichförmige (homogene) Zusammensetzung aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 0,93 % Argon und anderen Edelgasen. Der Kohlendioxid-Gehalt beträgt nur 0,03 %, ist aber eine wichtige Komponente des natürlichen Treibhauseffektes, ohne den es auf der Erde bedeutend kälter wäre. Die darüber befindlichen Schicht (auch als Ionosphäre bezeichnet) besteht aus sehr dünnem Gas, das nicht mehr in Molekülen, sondern in Atomen und Ionen vorliegt (daher der Name). Dies liegt daran, dass die von der Sonne eingestrahlte hochenergetische Strahlung die Moleküle dissoziieren lässt, die so entstehenden Ionen (geladene Teilchen) aber erst nach längerer Zeit auf einen Partner treffen. Ferner kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse. Dies führt zu einer Abnahme der mittleren molaren Masse mit zunehmender Höhe. Das Studium dieser Schichten nennt man Aerologie.

Für die Entstehung des Wetters in der Atmosphäre ist neben der Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung hauptsächlich der Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 % bis etwa 4 % des Luftvolumens vor.

Erdatmosphäre Erdatmosphäre
© DWD, Offenbach

Troposphäre

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre und umfasst etwa drei Viertel der Masse dieser Gashülle. Sie erstreckt sich von der Erdoberfläche bis zur Tropopause. Die Höhe dieser Grenzschicht zur Stratosphäre variiert von etwa 8 Kilometern an den Polen (wo sie im Winter bis zu 2 Kilometer niedriger ist als im Sommer) und bis zu rund 17 Kilometern am äquator.

Die Erdoberfläche wird durch Absorption kurzwelliger solarer Strahlung erwärmt. Die Wärme geht von der Bodenheizfläche in die mit ihr in Berührung stehende Luft über. Der Weitertransport in höhere Schichten erfolgt durch Turbulenz und Konvektion. Insgesamt kommt es so zu einer Durchmischung in der Troposphäre und es stellt sich eine Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe ein. Dieser Lufttemperaturgradient beträgt im Mittel etwa -6,5 Kelvin pro Kilometer Höhenzunahme, so dass an der Tropopause Temperaturen um -50°C (an den Polen) und um -80° C (am äquator) erreicht werden. In der Troposphäre herrschen ständig auf- und absteigende Luftströme vor, was durch das Wort "trope" (Kehre, Wende) gekennzeichnet wird. Diese Vertikalbewegungen können die Luft vom Erdboden bis zur Tropopause durchmischen und der Wasserdampf kann kondensieren oder verdunsten. Dies führt im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die Troposphäre fast den gesamten Wasserdampf der Erdatmosphäre enthält, zu den verschiedenen Wettervorgängen.

Die damit einhergehende Wolken- und Niederschlagsbildung bewirkt auch eine Reinigung der Troposphäre von gelösten Gasen und Feststoffen. Letztere sind allerdings als Kondensationskerne unverzichtbar bei der Wolkenbildung. Der Austausch zur nächsthöheren Luftschicht, der Stratosphäre ist nur gering, da von dort aus die Temperatur mit steigender Höhe wieder zunimmt.
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Stratosphäre

Die Stratosphäre (v. griechisch stratum: Decke, sphaira: Kugel) ist vom Erdboden aus gesehen nach der Troposphäre die zweite Schicht der Erdatmosphäre .

Die Temperatur ist im unteren Teil dieser Luftschicht, der sog. kalten Stratosphäre, ab rund 8 km in Polarregionen und ab 16 km Höhe im tropischen Bereich, in vertikaler Richtung konstant bzw. nimmt nur gering zu, im oberen Teil, ab etwa 20 - 30 km Höhe, steigt die Temperatur bis zu 50 km Höhe deutlich an. Die Stratosphäre wird in ihrem unteren Teil von der Tropopause (Grenzschicht zur Troposphäre) und in ihrem oberen Teil von der Stratopause (Grenzschicht zur darüber liegenden Mesosphäre) begrenzt.

Der o.a. Lufttemperaturanstieg ist auf die Ozonschicht zurückzuführen, welche sich in der Stratosphäre befindet. Dabei erwärmt sich die Luft von rund -60 °C im unteren Bereich, bei ca. 11 km Höhe, bis 0 °C in rund 50 km Höhe. Dieser Temperaturanstieg ist auf die Absorption der UV-Strahlung durch das Ozon zurückzuführen. © DWD, Offenbach

Mesosphäre

Die - von griech.: mesos (Mitte) und sphaira (Kugel) - ist die mittlere der fünf Hauptschichten der Erdatmosphäre. Sie ist zur Erde hin von der Stratopause (Grenze zur Stratosphäre in etwa 50 km Höhe) und nach oben durch die Mesopause (Grenze zur Thermosphäre bei rund 80 km Höhe) abgegrenzt.

Aufgrund der Tatsache, dass die Luft in der Mesosphäre extrem ausgedünnt und dass kaum noch Ozon vorhanden ist (Absorption der energiereichen UV-Strahlung in der Stratosphäre), sinkt die Temperatur wieder von etwa 0°C an der Stratopause mit jahreszeitlichen Schwankungen auf durchschnittlich etwa -90°C in ca. 80 km Höhe. Die Temperaturabnahme ist mit ca. 3 Kelvin/km allerdings erheblich geringer als die in der Troposphäre. Danach bleibt die Temperatur erneut konstant und steigt erst in der Thermosphäre wieder kräftig - je nach Sonnenaktivität - auf bis zu +2000°C.

Die chemische Zusammensetzung der Mesosphäre besteht überwiegend aus leichten Gasen, die sich entsprechend ihrer Masse zu schichten beginnen: die leichteren Elemente legen sich über die schwereren. Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in dieser Schicht.

In der oberen Mesosphäre bilden sich auch, zumeist über den Polkappen, die Leuchtenden Nachtwolken welche bläulich-silbern schimmernd mit bloßem Auge auch in unseren Breiten zu sehen sind, wenn sie das Licht der untergehenden Sonne reflektieren. Es handelt sich dabei vermutlich um Ansammlungen von Eisteilchen, die somit nicht mit dem Nord- oder Polarlicht verwechselt werden sollten. © DWD, Offenbach

Thermosphäre

Die Thermosphäre (von griech. thermos - warm, heiß; und sphaira - Kugel) ist die zweitäußerste Schicht der Erdatmosphäre und gehört zugleich zum oberen Teil der Ionosphäre. Sie erstreckt sich von der in rund 80 km Höhe liegenden Mesopause bis zur in etwa 800 km über die Erdoberfläche liegenden Thermopause (Grenze zur Exosphäre ). Innerhalb dieser extrem dünnen Atmosphärenschicht - die Gasteilchen sind weit voneinander entfernt - werden die Gasmolekühle von der aus dem Weltall eintreffenden energiereichen Strahlung ionisiert. Die Ionen und freien Elektronen der Ionosphäre können wegen der geringen Dichte lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren. Die Temperatur der Thermosphäre beträgt infolge der Aufnahme von Strahlungsenergie durch die Atmosphärenpartikel tagsüber rund 1.700°C, nachts ca 300°C. Die hohe Temperatur dieser Schicht ist jedoch lediglich ein Ausdruck der sehr schnellen Bewegungen der Gasmoleküle.

In der Thermospäre umkreisen das Space Shuttle und die Internationale Raumstation (ISS) die Erde. © DWD, Offenbach

Exosphäre

Die Exosphäre (griech.: exo (außerhalb) und sphaira (Kugel)) stellt die äußerste Schicht der Erdatmosphäre dar. Sie bildet den übergang zum interplanetaren Raum und grenzt mit ihren unteren Bereichen bei etwa 700 km Höhe (+/- 200 km) an die Thermosphäre. Die meisten in ihr enthaltenen Teilchen sind weitgehend ionisiert.

Die Exosphäre ist die Atmosphärenschicht, aus der Gasmoleküle aufgrund ihrer eigenen Geschwindigkeit das Gravitationsfeld der Erde verlassen können. Deshalb wird die Exosphäre auch als Dissipations (=Zerstreuungs)-sphäre bezeichnet. Sind die Gasteilchen allerdings ionisiert (elektrisch geladen), müssen sie sich entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes innerhalb der Magnetosphäre bewegen und können somit dem Einfluss der Erde nicht entkommen. © DWD, Offenbach