DE 
EN 
Aufbau der Atmosphäre einfach erklärt
Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle der Erde. Sie enthält die Luft zum Atmen, schützt vor schädlicher Sonnenstrahlung und bildet die Grundlage für Wetter, Wolken, Niederschläge und den globalen Wasserkreislauf. Obwohl sie sich über viele Tausend Kilometer erstreckt, spielt sich das für das Leben und das Klima entscheidende Geschehen nur in einem vergleichsweise dünnen unteren Bereich ab.
Diese Seite erklärt den Aufbau der Atmosphäre, ihre wichtigsten Schichten und die Zusammensetzung der Luft. Die physikalischen Zusammenhänge von Luftdruck, Temperatur und Höhenabhängigkeit werden auf der Folgeseite „Luftdruck und Temperatur“ näher erläutert.
Warum ist die Atmosphäre so wichtig?
Die Atmosphäre ist weit mehr als nur Luft. Sie ist ein dynamisches System aus Gasen, Energieflüssen, Feuchtigkeit und Luftbewegungen. In ihr werden Sonnenenergie, Wärme, Wasserdampf und Luftströmungen miteinander verknüpft. Besonders wichtig ist dabei die Troposphäre, denn dort entstehen Wetter, Wolkenbildung und Niederschläge. Dasselbe gilt für den Transport von Wärme und Feuchtigkeit, der für das Klima und den Wasserkreislauf von zentraler Bedeutung ist.
Wer Klima, Wind und Wasserkreislauf verstehen will, muss deshalb zunächst den Aufbau der Atmosphäre verstehen.
Wie ist die Atmosphäre aufgebaut?
In vereinfachten Darstellungen werden die Schichten der Atmosphäre oft farbig und in stark verzerrten Maßstäben gezeigt. Das erleichtert zwar die Orientierung, vermittelt aber leicht ein falsches Bild der tatsächlichen Größenverhältnisse. Betrachtet man den realen Aufbau, wird deutlich: Die Atmosphäre ist zwar räumlich sehr ausgedehnt, doch der größte Teil ihrer Masse befindet sich in den unteren Kilometern.
Berücksichtigt man die realen Größenverhältnisse, ergibt sich für die gesamte Atmosphäre folgendes Bild:
Aufbau der Atmosphäre in den tatsächlichen Relationen
(© Brugger, 2023)
1. Troposphäre
Die Troposphäre reicht von etwa 8Kilometern Höhe an den Polen bis zu rund 15Kilometern Höhe am Äquator. Obwohl sie die unterste und im Vergleich zur Gesamtausdehnung sehr dünne atmosphärische Schicht ist, enthält sie nahezu den gesamten Wasserdampf sowie rund 85Prozent der gesamten Luftmasse. Sie bildet damit den eigentlichen Lebensraum und ist auch die entscheidende Zone für Wetter und Klima.
Mit zunehmender Höhe nehmen Luftdichte und Temperatur ab. Je nach Feuchtegehalt der Luft beträgt die Temperaturabnahme etwa 6,5 bis 10°C pro 1.000Meter. An der Tropopause (Übergang zur Stratosphäre) können Temperaturen bis etwa –80°C erreicht werden. Die planetarische Grenzschicht im unteren Bereich der Troposphäre wird besonders stark durch die Erdoberfläche beeinflusst. Hier prägen Bodenbeschaffenheit, Sonneneinstrahlung, Wasserflächen, Verdunstung und Reibung maßgeblich die meteorologischen Größen wie Temperatur, Wind, Feuchtigkeit und Niederschlag.
Wichtig: Fast alle für das Leben relevanten atmosphärischen Prozesse spielen sich in der Troposphäre ab.
Aufbau der unteren Atmosphäre
(© Brugger, 2023)
2. Stratosphäre
Oberhalb der Troposphäre schließt sich die Stratosphäre an. Sie reicht ungefähr von 15 bis 50Kilometern Höhe. Im Gegensatz zur Troposphäre steigt die Temperatur hier mit zunehmender Höhe wieder an, von rund −80°C an der Tropopause (untere Grenze) auf etwa 0°C(273K) an der Stratopause (obere Grenze). Ursache dafür ist die Ozonschicht, in der ein großer Teil der energiereichen ultravioletten Strahlung absorbiert wird. Dadurch wird Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt. Die Stratosphäre schützt damit den Lebensraum in der Troposphäre vor einem erheblichen Teil der schädlichen UV-Strahlung.
3. Mesosphäre
Die Mesosphäre erstreckt sich etwa von 50 bis 80km Höhe. Hier nimmt die Luftdichte weiter stark ab. Diese geringe Dichte genügt allerdings noch, 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 werden Temperaturen bis zu –100°C erreicht. Damit gilt die Mesosphäre als die kälteste Schicht der gesamten Atmosphäre.
4. Thermosphäre
Die Thermosphäre reicht ungefähr von 80 bis 600Kilometern Höhe. Die Luftdichte ist hier bereits sehr gering. Die theoretischen Temperaturen können am Tag stark ansteigen, weil energiereiche Strahlung von wenigen vorhandenen Teilchen aufgenommen wird.
In diesem Bereich bewegen sich auch Raumstationen und zahlreiche Satelliten auf ihren Umlaufbahnen.
5. Exosphäre
Die Exosphäre bildet den äußersten Bereich der Atmosphäre. Sie beginnt in etwa 600Kilometern Höhe und geht in 10.000km Höhe allmählich in den Weltraum über. Die Gasdichte ist dort extrem gering, und nur noch wenige ionisierte Teilchen bewegen sich in großem Abstand zueinander.
Die Exosphäre macht zwar den größten Teil des atmosphärischen Volumens aus, enthält jedoch nur einen verschwindend kleinen Anteil der gesamten Luftmasse.
Woraus besteht die Luft?
Die Atmosphäre ist ein Gasgemisch, das durch die Schwerkraft an die Erde gebunden ist und dadurch von unten nach oben immer dünner wird. Die zuvor beschriebenen Sphären dienen der räumlichen Einordnung; tatsächlich handelt es sich um eine zusammenhängende Gashülle.
Bestandteile der Luft sind:
- Stickstoff mit rund 78%,
- Sauerstoff mit rund 20,8%,
- Spurengase wie das Edelgas Argon, Methan und Ozon mit 1,16%
- Kohlenstoffdioxid mit rund 0,04%
- sowie Wasserdampf in wechselnden Anteilen
Gerade der Wasserdampf ist für Wetter, Wolkenbildung, Niederschläge und den Energiehaushalt der Troposphäre von besonderer Bedeutung.
Fazit
Die Atmosphäre ist die offene gasförmige Hülle der Erde. Sie ist kein statischer Raum, sondern ein durch die Erdrotation ursächlich beeinflusstes hochdynamisches System, in dem Strahlung, Wärme, Luftbewegung und Feuchtigkeit ständig miteinander wechselwirken. Das wesentliche klimatische Geschehen findet im unteren Bereich der Troposphäre statt, insbesondere in der planetarischen Grenzschicht. Dort entstehen jene Prozesse, die unser Wetter prägen und die Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit beeinflussen.
Wer die Atmosphäre versteht, versteht auch besser, warum Luftdruck, Temperatur, Wind und Wasserkreislauf so eng miteinander verbunden sind. Die physikalischen Grundlagen dazu werden auf der folgenden Seite „Luftdruck und Temperatur“ weitergeführt.
Weiterführende Inhalte
- Luftdruck und Temperatur
- Der globale Wasserkreislauf einfach erklärt
- Sonnenenergie
- Windenergie
- Das Buch zum Thema Windkraft und Klima