Zusammensetzung und geschichtliche Entwicklung der Erdatmosphäre


Anmerkung: Abbildung werden später noch hinzugefügt und können dann heruntergeladen werden. bitte habt Geduld. .../Marjano
 
 

Atmosphäre:

Nach griech.: atmos=Dunst

sphaira=Kugel

Die Atmosphäre ist die durch die Massenanziehung der Erde festgehaltene Gashülle.

Kennzeichen ihrer Vertikalstruktur ist die exponentielle Verdünnung mit waschendem Abstand von der Oberfläche des Himmelskörpers. Die Atmosphäre besitzt außerdem keine definierte Obergrenze und weist einen geschichteten Vertikalaufbau auf.
 
 
 
 

1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre
 
 

Die Atmosphäre besteht aus einem physikalischen Gemisch verschiedener gasförmiger Elemente.

Die einzelnen Bestandteile der Atmosphäre haben unterschiedliche Massen. Eine Schichtung der Bestandteile wäre also anzunehmen.

Allerdings ist das Mischungsverhältnis bis in große Höhen konstant.

Auch die Mischung des Sauerstoffs ist konstant (O2), der über Gebieten hoher photosynthetischer Aktivität (z.B. Tropen) einen höheren Anteil Sauerstoffs aufzeigen müßte als über Gebieten, in welchen Sauerstoff eher gebunden wird (z.B. Industrieagglomerationen), wenn keine Durchmischung stattfinden würde.

Dieser Zustand ist eine Folge der starken turbulenten Durchmischung der Erdatmosphäre (vertikale und horizontale Luftbewegungen).
 
 
 
 

  1. 1 Gase
Tab.1

Zusammensetzung der wasserdampflosen, reinen Atmosphäre nahe dem Meeresniveau.

 
Bestandteil Vol.%
Stickstoff (N2) 78,084
Sauerstoff (O2) 20,948
Argon (Ar) 0,934
Kohlendioxyd (CO2) 0,03 (variabel)
Neon (Ne) 0,001818
Wasserstoff (H2) 0,001-0,00005
Methan (CH4) 0,0002
Helium (He) 0,00052
Krypton (Kr) 0,000114
Schwefeldioxyd (SO2) 0,0001 (variabel)
Distickstoffoxyd (N2O) 0,000 05
Xenon (Xe) 0,000 0087
Ammoniak (NH3) 0,000 0026
Ozon (O3) 0,000 002 (variabel)
Aus: Blüthgen,Weischet: Allgemeine Klimageographie (Lehrbuch der Allgemeinen Geographie), 3.Aufl., Berlin 1980, S.43.
 
 

Sauerstoff:

Der Anteil des Sauerstoffs an der Gesamtmenge im o.g. System ist relativ klein.

Er wird bei der Photosynthese produziert.

Gebunden wird Sauerstoff bei Oxidationsprozessen (Atmung, Verwesung, Verwitterung und Verbrennung).

Das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffverbrauch und Sauerstoffproduktion wird zunehmend durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe einseitig belastet.
 
 

Kohlendioxyd:

Kohlendioxid ist mengenmäßig mit geringem Anteil vertreten.

Es erhält allerdings besondere Bedeutung durch seinen großen Einfluß auf idie Strahlungsströme in der Atmosphäre.

Kohlendioxid wird va. bei der Atmung (von Mensch, Tier und Pflanzen in der Nacht = Respiration), Verwesungsprozessen, Vulkanausbrüchen und Verbrennungen (z.B. Waldbrände) produziert.

Kohlendioxid absorbiert einen erheblichen Teil der langwelligen Ausstrahlung der Erde und trägt zur Glashauswirkung bei.

In der Mitte des 18.Jahrhunderts lag der Gehalt von Kohlendioxid in der Luft bei 280 ppm (part per million) und erreicht heute (1990) einen Wert von 235 ppm.
 
 

Ozon:

Ist eine giftige dreiatomige Form des Sauerstoffs und kommt in der unteren Atmosphäre nur in sehr geringen Mengen vor.

Es ist v.a. in Höhen zwischen 20 und 50 Km konzentriert.
 
 

Entstehungsprozeß:

1. E (<240nm) + O2 ® O + O (E: Elektronmagnetische Energie/Wellenlänge)

2. O + O2 + M ® O3 + M + E (Wärme) (M: Stoßpartner)

3. E(<1200nm) + O3 ® O + O2

Diese Prozesse führen zu einem Konzentrationsgleichgewicht des Ozongehalts.

Ozon hält gut die Hälfte der solaren UV-Strahlung zurück. Es bildet somit einen Schutzschirm um die Erde, gefährliche UV-Strahlung wird von Lebewesen ferngehalten.

Das Ozon-Konzentrationsgleichgewicht wird allerdings durch Chlorfluormethane (bzw. FCKW) gestört.

FCKW werden gespalten und die freiwerdenden Chloratome dezimieren den O3-Gehalt:

O3 + Cl® ClO + O2
 
 

    1. Wasserdampf
Die Wasserdampf Konzentration ist räumlich und zeitlich sehr variabel.

Der Anteil in der Atmosphäre (Bodennähe) liegt bei

4 Volumen-% als Maximalwert in den feuchten Tropen

1,3 Volumen-% im Durchschnitt der warmen

0,4 Volumenprozent der kalten Jahreszeit der Mittelbreiten.

Mit zunehmender Höhe nimmt der Wasserdampfgehalt als Folge der vertikalen Temperaturabnahme rasch ab.

Seine herausragende Bedeutung liegt in der Fähigkeit seinen Aggregatzustand (gasförmig flüssig -fest) zu ändern, und in der Bedeutung bezüglich des ökologischen und physiologischen Stoffkreislaufes.
 

  1. Aerosole
Sind Besatandteile der Atmosphäre, die von natürlichen oder anthropogenen Quellen als Emmission in die Atmosphäre gebracht werden.

Dort bleiben sie eine Zeit lang in der Schwebe und werden (wenn sie vorher keine chemische Reaktion eingehen) als Immission wieder abgesetzt.

Hauptsächliche Quellen sind:

 
aufgewirbelter Staub,

verspratztes Seewasser

Rauch aus offenen Bränden oder Schornsteinen

natürliche und anthropogene Abdämpfe

Mikroorganismen


Unterschieden wird zwischen:

 
Festen Substanzen,

gasförmigen Substanzen,

anorganischen Partikeln und

Mikroorganismen


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Der Stockwerkbau der Atmosphäre

[Die Vertikalstruktur der Atmosphäre]
 
 
Die Erdatmosphäre läßt sich in verschiedene Schichten (Stockwerke) mit Übergangszonen einteilen.
 
 
  1. Die Troposphäre
  Ist der untere Teil der Atmosphäre

  Temperaturabnahme mit der Höhe

  Mittelwert der Temp.-abnahme: 05-06,°V/100m

  Teilweise existieren Schichten in denen die Temperatur mit wachsender Höhe zunimmt anstatt abzunehmen. Man spricht von

     Inversionen. Sie treten meist in einer Höhe von 1-2 Km auf

  Sie ist die Wetterwirksame Schicht der Atmosphäre

  Wolken- und Niederschlagsbildung

  Hier findet infolge der vertikalen und horizontalen Strömungen die stärkste Durchmischung statt

  Sie enthält fast den gesamten Wasserdampfgehalt der A.

  Troposphäre läßt sich nochmals in eine obere Advektionszone und eine untere Reibungszone (Grundschicht der Atmosphäre)

      einteilen. In der unteren dominieren vertikale Austauschprozess in der oberen eher horizontale.

  Die Grenzschicht bildet die Peplopause (gekennzeichnet durch eine Temperaturinversion)

 
  1. Die Stratosphäre / Mesosphäre

  2.  

     
     
     
     
     
     

    Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre bildet die Tropopause (Höhe variiert zwischen 17Km [Tropen] und 9Km [Polargebieten[ ). Sie ist eine weltweite permanente Inversion, da über und unter ihr verschiedene thermische Begebenheiten vorhanden sind. Der Wasserdampfgehalt ist nur noch verschwindend gering.

    Die Stratosphäre reicht bis in eine Höhe von ca. 35Km.

    Die Temperatur nimmt nur noch geringfügig ab, nimmt zur Mesosphäre hin sogar zu.

    Es herrscht eine stabile Schichtung vor.

    In der Strato- und Mesosphäre (zusammen auch Chemosphäre genannt) wird die langwellige UV-Strahlung (<3m m) absorbiert.

    Das Ozonmaximum wird in einer Höhe von ca. 18-25 Km Höhe erreicht ("Ozonschicht")

    Die Mesosphäre selbst reicht bis in eine Höhe von ca. 100Km
     
     
     
     

  3. Ionosphäre

  4.   100-400Km

Ionisationsprozesse (Ionen=Teilchen mit positivem oder negativen Ladungszustand)Entstehen durch Energieaufnahme (Absorption)
    aus UV- oder Röntgen- Elektronen oder radioaktiver Strahlung. Dadurch entstehen sehr hohe Temperaturen (bis zu 1000°C)
Polarlichter

Sternschnuppen
 
 

3.Die Geschichte der Erdatmosphäre
 
 
 
  Vor 4,6 Mrd. Jahren bildete sich die Erde, im Bereich des solaren Urnebels.

Der ursprünglich kalte Erdurnebel erwärmte sich infolge der Kontraktion auf mehrere 1000°C.

Dabei gingen gasförmige Bestandteile der Uratmosphäre verloren (va. Wasserstoff und Helium), da die Erde ein rel. schwaches Gravitationsfeld aufwies und die Substanzen nicht binden konnte.

Nach Beendigung der Kontraktionsphase ("Geburtsstunde der Erde") begann durch Wärmeabstrahlung eine allmähliche Abkühlung.

Gleichzeitig entstand durch Ausgasung und durch heftigen Vulkanismus die Atmosphäre neu.

Dabei entwichen große Mengen von Wasserstoff und Helium in den Weltraum.

V.A. durch chemische Reaktionen der Elemente Wasserstoff , Sauerstoff, Kohlenstoff (weniger Stickstoff, der wenig reaktionsfreudig ist und sich anreicherte) bildeten sich eine Reihe von chemischen Verbindungen:

  Methan (CH4)

  Wasserdampf (H2O)

  Kohlendioxid (CO2)

  Ammoniak (NH3)

Der Vulkanismus lieferte zudem noch Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelverbindungen an die Atmosphäre.
Durch die Nähe zur Sonne konnten (anders als auf den entfernten Planeten) photochemische Reaktionen stattfinden. Es handelt sich um Reaktionen die unter Zufuhr von Licht bzw. UV-Strahlung stattfinden.   Aufspaltung von CH4, NH3, und H2O in die Elemente O2, H2, N2, und C. Wobei der Wasserstoff zum teil wider in den Kosmos entwich.

Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O2) reagierten zu der stabilen Verbindung Kohlendioxid (CO2), die auch photochemische nicht wider gespalten wurde.

N2 reicherte sich weiter an (reaktionsträge).

Dieses Stadium der Erdatmosphäre ist ähnlich dem heutigen der Mars- und Venusatmosphäre.

Merkur besitzt (wie auch der Mond) keine Atmosphäre (er ist zu klein und zu heiß).

Die Anreicherung von CO2.H2O und N2 stellte sich vor ca. 3-4Mrd Jahren ein, die Abkühlung unterschritt hierbei die 100°C Grenze.

Erste Sedimente und Gesteine formten sich.

Die Erdatmosphäre unterscheidet sich deutlich von den anderen Planeten, bedingt durch den optimalen Abstand der Erde von der Sonne. Diese Entfernung bedingt eine Temperatur, das Gas H2O in verschiedenen Aggregatzuständen zur Folge hat (fest, flüssig, gasförmig). Es konnten sich Wolken- und Niederschlag bilden.

Durch den Niederschlag entstanden nach und nach die Ozeane (älteste Anzeichen reichen 3,2 Mrd. Jahre zurück)

Die Ozeane wiederum lösten Kohlendioxid, es entstanden Karbonate (CaCO3), die sich am Boden der Ozeane ablagerten. So filterten die Ozeane allmählich das Kohlendioxid aus der Atmosphäre.

Der nächste Schritt war die Entwicklung des Lebens in den Ozeanen (2,6 Mrd. Jahre).

Dadurch stieg der Anteil von Sauerstoff in der Atmosphäre, gleichzeitig wurde organische Substanz gebildet.

Die Voraussetzung für tierisches Leben wurde geschaffen und schließlich auch die Voraussetzungen für das Leben des Menschen.

Der heute O2-Pegel dürfte vor ca. 0,5 Mrd. Jahren erreicht worden sein.

Die Wandlung der Erdatmosphäre von einer CO2 / N2 zu einer N2/ O2-Atmosphäre (vereinfacht) führte zu einer Abkühlung der Erde im Gegensatz zur Venus.

In der Folge dieser Entwicklung konnte sich somit auch Eis auf der erde bilden.

Nach der Ausbildung der Hydrosphäre (ozeanisches Salzwasser und kontinentales Süßwasser) bildete sich nun die Kryosphäre (Land- und Meereis).

Die Kryosphäre bestand allerdings nur episodisch.

Die Zukunft der Erdatmosphäre wird von der Sonne und zunehmend auch vom Menschen bestimmt werden.
 
 
 
 
 
 

Markus Jeschke, Januar 1999