Aufbau der Atmosphäre

Die gasförmige Hülle, die unseren Planeten umgibt, nennen wir Atmosphäre. Obwohl wir ständig mit ihr in Kontakt stehen, auf sie zum Atmen angewiesen sind und sich das für uns relevante Geschehen in den untersten 1 bis 1,5 Promille ihrer etwa 10.000 Kilometer mächtigen Ausdehnung abspielt, wissen nur wenige genau, was die Atmosphäre eigentlich ist, welche Prozesse in ihr ablaufen und welche Bedeutung sie für Klima und Temperatur der Erde hat.

Diese Seite erläutert den Aufbau der atmosphärischen Gashülle im Detail, während auf der Seite Luftdruck und Temperatur die klimatischen Zusammenhänge beschrieben werden.

Wie ist die Atmosphäre aufgebaut?

Wer den Begriff „Aufbau der Atmosphäre“ in eine Bildersuchmaschine eingibt, findet sofort zahlreiche Darstellungen. Dabei fällt auf, dass fast alle dieser Grafiken die einzelnen Sphären als Schichten in verschiedenen, oft grellen Farben zeigen und einen stark verzerrten Maßstab nutzen, was leicht zu einem falschen Eindruck des tatsächlichen Aufbaus führen kann.

Berücksichtigt man die realen Größenverhältnisse, ergibt sich für die gesamte Atmosphäre folgendes Bild:

1. Troposphäre

Die Troposphäre ist mit einer Höhe von 8 km an den Polen und bis 15 km am Äquator zwar die dünnste atmosphärische Schicht, enthält jedoch nahezu den gesamten Wasserdampf sowie rund 85 % der gesamten Luftmasse – ein Zusammenhang, der sich mithilfe der barometrischen Höhenformel leicht nachvollziehen lässt. Sie ist die Sphäre, in der wir leben, unser eigentlicher Lebensraum.

Die notwendige Wärme erhält die Troposphäre von der Sonne. Mit zunehmender Höhe nimmt die Gasmasse und damit die Temperatur (abhängig von der Luftfeuchtigkeit) um etwa 6,5 bis 10 °C pro 1000 m ab und sinkt an der Tropopause bis auf etwa –80 °C. Dabei gilt: Je trockener die Luft, desto stärker die Abkühlung.

Die etwa 1,0 bis 2,5 Kilometer mächtige planetarische Grenzschicht der Troposphäre mit der am stärksten verdichteten Luft, sowie die Beschaffenheit der Erdoberfläche, haben einen maßgeblichen Einfluss auf meteorologische Parameter wie Temperatur, Wind, Feuchtigkeit und Niederschlag.

2. Stratosphäre

In der Stratosphäre mit deutlich geringerer Gasdichte, die sich in Höhen zwischen etwa 15 und 50 km erstreckt, kommt es zu einem ungewöhnlichen Temperaturanstieg von rund −80 °C an der Tropopause (untere Grenze) auf etwa 0 °C (273 K) an der Stratopause (obere Grenze).

In der Stratosphäre befindet sich nämlich die für das Leben essenzielle Ozonschicht, die maßgeblich für diesen Temperaturanstieg verantwortlich ist: Energiereiche UVC-Strahlung (100-280 nm) spaltet Moleküle des Sauerstoffs (O₂) aus der Luft. Die dabei entstehenden Atome verbinden sich mit anderen Sauerstoffmolekülen zu den instabilen Ozonmolekülen (O₃). In der sich dabei bildenden ozonhaltigen Schicht wird also ein großer Teil der intensiven ultravioletten Strahlung von der Sonne absorbiert und in kinetische Energie und in Wärme umgewandelt. Unser Lebensraum in der Troposphäre wird dadurch vor einer zu hohen schädlichen UV-Dosis geschützt. 

Mit der Ozonschicht wird - neben der Temperaturerhöhung - die zweite Anomalie in der Atmosphäre deutlich. Ozon ist um ein Drittel schwerer als Sauerstoff und mit einer Dichte von 2,15 kg/m³ deutlich schwerer als Luft mit einer Dichte von 1,29 kg/m³. Theoretisch müsste das Ozon aufgrund der Erdanziehung nach unten sinken, was es faktisch nicht tut. Der Grund für dieses anomale Verhalten liegt in der Erhöhung der Temperatur, welche durch Absorption der energiereichen UVC-Strahlung in den Ozonmolekülen hervorgerufen wird. Die Strahlung erhöht die innere Energie und damit auch die Temperatur, indem sie die Moleküle zu stärkeren Schwingungen und zu Rotationen anregt, bevor die Energie wieder als elektromagnetische Strahlung abgegeben wird.

Unter der Berücksichtigung dieser Vorgänge mutiert Ozon vom Treibhausgas zum Schutzgas – zumindest in der Stratosphäre. Mehr hierzu unter "Ozonschicht".

3. Mesosphäre

Die Mesosphäre erstreckt sich zwischen etwa 50 und 80 km Höhe. Hier nimmt die Gasdichte weiter ab und liegt bei rund einem Promille der Luftdichte auf Meereshöhe. Diese geringe Dichte genügt allerdings bereits, um kleinere Meteoriten, die mit hoher Geschwindigkeit in das Schwerefeld der Erde eintreten, durch Reibung zum Verglühen zu bringen – sichtbar als Sternschnuppen.

In den oberen Bereichen der Mesosphäre können Temperaturen bis zu –100 °C erreicht werden, weshalb sie als die kälteste Schicht der gesamten Atmosphäre gilt.

4. Thermosphäre

An die Mesosphäre schließt sich die Thermosphäre an. Sie erstreckt sich von etwa 80 km bis rund 600 km Höhe über der Erdoberfläche. Die Luftdichte nimmt weiter ab und ist sehr gering, und die theoretischen Temperaturen reichen von etwa 300 °C in der Nacht bis zu rund 1500 °C am Tag – vergleichbar mit den Bedingungen in der Exosphäre.

In diesem Bereich befinden sich geostationäre Satelliten und auch die Internationale Raumstation (ISS ) in ihrem Orbit um die Erde.

5. Exosphäre

Die Exosphäre bildet die äußerste und zugleich den räumlich ausgedehntesten Raum der Atmosphäre. Sie beginnt in etwa 600 km Höhe und reicht bis in rund 10.000 km Höhe, wo sie allmählich in den interstellaren Raum übergeht. In dieser Region sind nahezu alle Gasmoleküle ionisiert; die Gasdichte ist extrem gering, und die wenigen Teilchen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit in großem Abstand zueinander.

Theoretisch würden hier Temperaturen von weit über 1000 °C herrschen, dies allerdings nur, wenn genügend Materie vorhanden wäre, um elektromagnetische Strahlung aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln.

Damit stellt die Exosphäre zwar den mit Abstand größten Teil des atmosphärischen Volumens dar, enthält jedoch nur einen winzigen Anteil der gesamten Gasmasse.

Wie ist die atmosphärische Luft zusammengesetzt?       

Die gesamte Atmosphäre ist ein durchgehendes Gasgemisch, welches aufgrund der Schwerkraft auf der Erdkugel lastet und in der Dichte von unten nach oben immer dünner wird. Die oben beschriebenen Sphären dienen lediglich der räumlichen Abgrenzung. 
Hauptgase sind:

• Stickstoff mit 78 %,
• Sauerstoff mit 20,8 %,
• Spurengase wie das Edelgas Argon, Methan und Ozon mit 1,16 % und Kohlenstoffdioxid mit 0,04 %
• sowie Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) in wechselnden Anteilen 

Fazit:

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass

• die Atmosphäre eine nach oben offene Gashülle ist (und kein Treibhaus), 
• sich das wesentliche klimatische Geschehen im untersten Bereich der Troposphäre abspielt und
• hier in der planetarischen Grenzschicht in Höhenbereichen von wenigen 1.000 m über dem Meeresspiegel (Biosphäre).

Mit zunehmender Höhe fällt die Temperatur. Die physikalischen Zusammenhänge werden auf der folgenden Seite  Luftdruck und Temperatur erläutert. 

Weitergehende und detailliertere Informationen zum Aufbau der Atmosphäre, den troposphärischen Wetterzellen (Hadley, Ferrel, Polar) und der Windströmungen sowie zum globalen Wasserkreislauf finden Sie im Buch Windwahn - Der Windwahn und seine klimatischen Konsequenzen.