Aufbau der Atmosphäre

Die Lufthülle, 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 unteren 1 bis 1,5 Promille ihrer rund 10.000 km Höhe abspielt, wissen nur wenige genau, was die Atmosphäre eigentlich ist, welche Prozesse in ihr ablaufen und welche Bedeutung sie für Klima und Temperatur auf der Erde hat.

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 einen stark verzerrten Maßstab nutzen und die einzelnen Sphären als Schichten in verschiedenen, oft grellen Farben zeigen, 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. Exosphäre

Die Exosphäre bildet die äußerste und zugleich räumlich ausgedehnteste Schicht 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.

2. Thermosphäre

Unterhalb der Exosphäre schließt sich die Thermosphäre an. Sie erstreckt sich von etwa 80 km bis rund 600 km Höhe über der Erdoberfläche. Die Luftdichte ist weiterhin 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 dieser Schicht bewegen sich Raumschiffe und Satelliten wie das Space Shuttle oder die Internationale Raumstation (ISS) in ihrem Orbit um die Erde.

3. Mesosphäre

Die Mesosphäre erstreckt sich zwischen etwa 50 und 80 km Höhe. Hier nimmt die Gasdichte langsam zu, liegt jedoch immer noch nur 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. Stratosphäre

In der Stratosphäre, welche zwischen 15 und 50 km Höhe liegt, nimmt die Temperatur von ca. -80 °C an der Tropopause (erdnahe Schicht) bis auf ca. 0 °C an der Stratopause (erdferne Schicht) zu. In der Stratosphäre befindet sich die für das Leben wichtige Ozonschicht, die ursächlich für den Anstieg der Temperatur in der Stratosphäre 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 Schicht, der sogenannten Ozonschicht, 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 die erste 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 dürfte in der Erhöhung der Temperatur begründet sein, welche durch Absorption der energiereichen UVC-Strahlung in den Ozonmolekülen hervorgerufen wird. 

Die Strahlung erhöht die innere Energie, 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. 

5. Troposphäre

Die Troposphäre ist mit 8 bis 15 km 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 Schicht, 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.

Aus was besteht die atmosphärische Luft?       

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 

Woher kommt der Luftdruck?

Wie bereits erläutert, besteht die Atmosphäre aus verschiedenen Gasen, die durch die Erdanziehungskraft (Schwerkraft) an den Planeten gebunden werden. Ohne diese Kraft würden die Gase ins All entweichen, was in sehr geringem Umfang über die Exosphäre tatsächlich geschieht.

Gase sind kompressibel und folgen den physikalischen Gasgesetzen. In einer Mischung nimmt jedes Gas den gesamten zur Verfügung stehenden Raum ein (Entropie). Würde die Atmosphäre nicht durch die Schwerkraft gehalten, wären alle Gase gleichmäßig verteilt und hätten überall den gleichen Druck und die gleiche Temperatur – so wie es die linke Säule im Beispiel ohne gravitativen Einfluss veranschaulicht.

In der Realität jedoch werden alle Gase zur Erde hin gezogen (rechte Säule). Unter der Annahme, dass kein Energieaustausch stattfindet (adiabatische Zustandsänderung), wird die Luft in Bodennähe komprimiert und ihre Dichte steigt; in größeren Höhen wird sie dekomprimiert und ihre Dichte sinkt. Diese Zustandsänderungen führen unmittelbar zu Temperaturanstieg im Bereich der Kompression und zu Abkühlung im Bereich der Dekompression. Sie erfolgen unabhängig von der jeweiligen Ausgangstemperatur – das vertikale Temperatur- und Druckgefälle ist rein physikalisch bedingt.

Die Gase der Luft erzeugen mit ihrem Gewicht (genauer durch die Summe ihrer Partialdrücke) den Luftdruck. Im Alltag nehmen wir diesen Druck in der Regel nicht bewusst wahr. Würde sich die Luft nicht bewegen oder erwärmen, sondern statisch auf der Erdoberfläche lasten, wäre der Luftdruck auf Meereshöhe nahezu konstant. In der nachfolgend dargestellten Grafik bleibt der Wasserdampf unberücksichtigt, da sein Anteil im Gegensatz zu den übrigen Gasen stark schwankt.

Der Luftdruck ist also nicht konstant. Sein mittlerer Wert auf Meereshöhe beträgt p₀ = 1013 hPa (Hektopascal). Das entspricht einem Druck von etwa 10.000 kg/m² bzw. dem Gewicht einer 10 Meter hohen Wassersäule auf einer Fläche von 1 m × 1 m. 

Warum ändert sich die Temperatur mit der Höhe?

In etwas mehr als 5.000 m Höhe ist der Luftdruck bereits halbiert, was bedeutet, dass rund 50 % der gesamten Luftmasse unterhalb dieser Höhe liegen. Die geringere Sauerstoffkonzentration macht sich beim Atmen deutlich bemerkbar, besonders bei körperlich anspruchsvollen Aktivitäten wie Bergtouren. Um die gleiche Menge Sauerstoff aufzunehmen, muss in dieser Höhe ungefähr die doppelte Luftmenge eingeatmet werden. Das führt zu Kurzatmigkeit und einer erhöhten Atemfrequenz. 

Der Grund für die Abkühlung ist die mit zunehmender Höhe abnehmende Dichte: Bei einer statischen Luftsäule nimmt der Druck ohne Änderung des energetischen Zustandes und ohne Änderung des Volumens von unten nach oben hin ab. Mit anderen Worten, die Anzahl der energetisch angeregten Teilchen nimmt (von unten nach oben) ab und in dessen Folge auch die Temperatur. 

Die Grenze mit 50 % der Luftmasse ergibt auch die Höhe für die mittlere Strahlungstemperatur der Erde bzw. besser der die Erde umgebenden Gashülle, welche allgemein mit 255 K angegeben wird. Dieser Wert entspricht exakt den berechneten Werten für feuchte Luft und stimmt mit den Beobachtungen im Flugzeug (siehe unten) überein. 

Der starke Einfluss des Wasserdampfes wird ebenfalls deutlich: Feuchte Luft enthält erheblich mehr Wärmeenergie als trockene Luft, weshalb weshalb die Temperatur mit zunehmender Höhe weniger stark abnimmt. Ursache für dieses unterschiedliche Verhalten ist die im Wasserdampf gespeicherte latente Wärme.

Anmerkung:
Die den Diagrammen zugrunde liegenden Daten und Tabellen stehen direkt zum Download bereit. Für die Lufttemperatur wurden zwei Kurven berechnet: einmal für trockene Luft (rote Linie) mit dem Isotropen-Exponenten i = 0,286 und einmal für normalfeuchte Luft (blaue Linie) mit i = 0,19. Im zweiten Fall wird der zuvor nicht berücksichtigte Wasserdampf einbezogen. Siehe hierzu auch die Seite "Der globale Wasserkreislauf" im Beitrag Der Wind – unsichtbar, geheimnisvoll und energiegeladen.

Dass die theoretische Berechnung für normalfeuchte Luft gut mit realen Messungen übereinstimmt, zeigen die während eines Landeanflugs auf den Frankfurter Flughafen über das Bordsystem angezeigten Werte. Die Bodentemperatur lag etwa 5–8 K über den der blauen Kurve zugrunde liegenden 15 °C (288 K). In Höhen über 10.000 m weisen die gemessenen Temperaturen zudem auf deutlich trockenere Luft hin.

Treibhauseffekt und Treibhausgase?

Wie kann es in der unteren Schicht der Troposphäre warm werden und warm bleiben, wenn in ca. 15 km Höhe bereits Temperaturen bis zu -80° C herrschen und bekanntermaßen warme Luftmassen aufsteigen? Mit dieser Frage haben sich bereits viele Menschen mit ellenlangen Abhandlungen befasst, unterschiedliche Theorien dazu aufgestellt und dennoch fehlt der eindeutige Beweis für die eine oder andere Theorie bis heute. 

Dabei reicht es, die Physik heranzuziehen. Wie oben bereits dargestellt, ergibt sich die im Gegensatz zur mittleren Strahlungstemperatur von 255 K höhere Oberflächentemperatur auf der Erde von 288 K allein schon durch die Verdichtung der normalfeuchten Luft. Die mittlere Strahlungstemperatur entspricht dem Temperaturmittel der 50 % kalten und 50 % warmen Luftmasse in der Atmosphäre.

Zur Erklärung der atmosphärischen Temperaturen sind weder ein Treibhauseffekt noch Treibhausgase erforderlich! Eine aus Beobachtungen abgeleitete und auf vermuteten „theoretischen Schlüsselerkenntnissen“ (IPCC) aufgebaute Theorie ist und bleibt nur eine unbewiesene Hypothese. Und eine Hypothese wird auch nicht wahr, wenn viele daran glauben. 

Unstrittig ist, dass die wesentliche Quelle für die Temperatur auf der Erde bzw. der Erdoberfläche die Strahlung der Sonne ist. Unstrittig ist auch, dass dies schon seit Milliarden von Jahren so ist und unterschiedlichste klimatische Szenarien auf der Erde völlig ohne menschliche Eingriffe und auf natürliche Art auftraten. Diese klimatischen Veränderungen hatten extreme Ausmaße und haben mit den vergleichsweise marginalen Schwankungen oder Veränderungen der Temperaturen im Nullkommabereich, welche heute allgemein als Klimawandel bezeichnet werden, rein gar nichts gemein. 

Alle Gase der offenen Lufthülle verhalten sich ähnlich und speichern Wärmeenergie. Die spezifische Wärmekapazität von Luft wird im Wesentlichen von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf bestimmt. Der zusätzliche Wasserdampf fungiert als Hauptenergieträger (schwüle Luft). Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Temperatur eines Stoffes mit der Masse 1 kg um 1 Kelvin zu erhöhen. Massebezogen ist die spez. Wärmekapazität von Wasser etwa viermal höher als die von Luft. 

Die Dichte von Luft mit 1,29 kg/m³ ist aber erheblich geringer als die von Wasser mit 1.000 kg/m³. Volumenbezogen kann Wasser also mehrere tausendmal mehr Energie speichern, als die gleiche Menge an Luft. Oder umgekehrt: Geringe Mengen an Wasserdampf in Luft speichern enorme Wärmemengen. 

Luft ist auch ein sehr schlechter Wärmeleiter, deshalb muss warme Luft bewegt werden, z. B. durch Konvektion oder Wind. Stehende Luft kann sich stark erwärmen, weshalb Wind für ein ausgeglichenes Klima unabdingbar ist. Vom Föhn oder Heizlüfter ist auch bekannt, dass sich Luft sehr schnell wieder abkühlt, egal wie heiß sie gerade ist. Luft ist auch stark durchlässig für Infrarotstrahlung. Wäre dem nicht so, käme die Strahlung der Sonne nicht auf dem Erdboden an. 

Fazit:

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich das wesentliche klimatische Geschehen in der Troposphäre abspielt und hier in den untersten Höhenbereichen von wenigen 1.000 m über dem Meeresspiegel (Biosphäre).

Und genau hier greift der Mensch ein und entzieht der Troposphäre massenhaft Energie mittels Windenergiewandlern, an Küsten, in Windkorridoren und auf Gebirgszügen! Dabei ist der Wind zusammen mit dem Wasserdampf und dessen Verteilung die wesentliche klimatische Größe. 

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.