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Die Erdatmosphäre (von griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“), die Atmosphäre der Erde, ist die gasförmige Hülle oberhalb der Erdoberfläche. Sie stellt eine der Geosphären dar und ihr Gasgemisch, die Luft, ist durch einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse geprägt.

Die Schichten der Atmosphäre

Entwicklung der Erdatmosphäre

Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist ein Teil der chemischem Evolution der Erde und zudem ein wichtiges Element der Klimageschichte. Sie wird heute in vier wesentliche Entwicklungsstufen unterschieden.


Grundlagen

Für die Einteilung der Erdatmosphäre in vier Entwicklungsstufen gibt es kein verbindliches Modell und der Sprachgebrauch ist sehr unterschiedlich. Die erste Stufe wird recht einheitlich als Uratmosphäre oder auch Primordialatmosphäre bezeichnet, man kann sie jedoch auch als erste Atmosphäre ansprechen. Je nach Begriffswahl werden alle folgenden Entwicklungsstufen durchnummeriert, also entweder, in dem man mit der ersten Atmosphäre fortfährt, oder indem man diese als Synonym zur Uratmosphäre betrachtet und demzufolge die zweite Atmosphäre folgt. Im Weiteren wird die erste Alternative genutzt, es ist jedoch auch zu beachten, dass die Bezeichnung Uratmosphäre bei gröberen Einteilungen bis zum Auftreten größerer Sauerstoffkonzentrationen ausgedehnt wird.
Schwankungen in den Konzentrationen der Atmosphärengase gab es auch unabhängig von einer Einteilung in bestimmte Entwicklungsstufen während der gesamten Erdgeschichte. Auch die heutige Atmosphäre bildet keine Ausnahme und ihre Zusammensetzung ist daher auch im Rahmen menschlicher Zeitskalen maximal metastabil. Dabei steht die Atmosphäre in ständiger Wechselwirkung mit den anderen Geosphären, besonders der Hydrosphäre mit deren Ozeanen und der Lithosphäre über den Vulkanismus. Doch auch der Boden und insbesondere die Lebewelt bilden nicht zu unterschätzende Einflüsse. Letztendlich kann daher nur das Zusammenwirken aller Faktoren, samt ihrer zahlreichen Interaktionsmechanismen, eine schlüssige Erklärung dafür geben, wie sich die Atmosphäre in der Vergangenheit entwickelte (Paläoklimatologie) und eventuell in Zukunft entwickeln wird (Klimatologie).


Uratmosphäre

Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H2) und Helium (He) sowie in geringerem Maße aus Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und einigen Edelgasen bestehende Gashülle, die jedoch aufgrund der geringeren Erdanziehung und schnellen Erdrotation nur recht schwach an den Planeten gebunden war. Sie ging in der Folge recht schnell wieder fast vollständig verloren. Verantwortlich hierfür waren die kontraktionsbedingte Erwärmung, der Zerfall von Radionukliden unter Wärmeabgabe und die häufigen Impakte, was bedingt durch die sehr hohen Geschwindigkeiten der einschlagenden Objekte zu einem - zumindest teilweisen - Aufschmelzen der Erde führte. Zu dieser sehr hohen Temperatur, die wohl aufgrund der hohen Teilchengeschwindigkeiten (siehe Atmosphäre) schon allein genügt hätte, die frühe Gashülle der Erde aufzulösen, kam das Einsetzen der Kernfusion in der Sonne. Der daraufhin einsetzende extrem starke Sonnenwind beseitigte wohl auch die letzten Reste der Uratmosphäre, insbesondere der leichten Elemente, und wehte sie in die äußeren Bereiche des Sonnensystems. Aus Spektralanalysen der dortigen Planeten, vor allem von Jupiter und Saturn, stammt dann auch ein Großteil der wissenschaftlichen Theorien bezüglich der frühen Erdatmosphäre.

Erste Atmosphäre

Mit der Zeit nahmen die Intervalle und Intensitäten der Einschläge immer weiter ab und die Erde konnte sich langsam über die Wärmestrahlung abkühlen. Die geringeren Temperaturen und damit Teilchengeschwindigkeiten der Gase verringerten die Diffusion ins All, was den Aufbau einer Atmosphäre begünstigte. Der in der Folgezeit auftretende Vulkanismus führte zu starken Ausgasungen und schuf damit die erste Atmosphäre. Vor etwas über vier Milliarden Jahren dürfte die damalige Atmosphäre zu etwa 80 % aus Wasserdampf (H2O), zu 10 % Kohlenstoffdioxid (CO2) und zu 5 bis 7 % aus Schwefelwasserstoff (H2S)sowie kleineren Spuren von Stickstoff (N2), Wasserstoff, Kohlenmonoxid (CO), Helium, Methan und Ammoniak bestanden haben. Dabei handelt es sich um eben jene Produkte des Vulkanismus, wie wir sie auch heute noch beobachten können. Der hohe Anteil des Wasserdampfs erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt noch zu warm war, um Niederschläge bilden zu können. Es gab also noch keine Gewässer auf der Erde. Der
eigentliche Ursprung des Wassers ist umstritten.

Zweite Atmosphäre

Nachdem die Erde ausreichend abgekühlt war kam es zu einem extrem langen Dauerregen (etwa 40.000 Jahre), nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden. Die hohe UV-Einstrahlung bedingte eine photochemische Zerlegung der Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und Stickstoff ansammelten. Frühe Stoffwechselvorgänge (gärende und chemolithotrophe Bakterien) erhöhten zusätzlich den Gehalt an Stickstoff und auch Methan. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum, vor allem Kohlenstoffdioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst. Kohlenstoffdioxid bildet bei Lösung in Wasser Kohlensäure (H2CO3), aus der sich durch Dissoziation Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3-) und Carbonat-Ionen (CO32-) bilden. Carbonat-Ionen bilden mit bestimmten Kationen, insbesondere mit Calcium, schwerlösliche Carbonate, die ausgefällt werden. Dies führte zu großen Ablagerungen am Ozeanboden. Einzig unbeeindruckt zeigte sich daher der inerte Stickstoff. Dieser sammelte sich mit der Zeit an und vor etwa 3,4 Milliarden Jahren schloss sich dann die Entwicklung der dritten Atmosphäre ab. Sie hatte nun Stickstoff als Hauptbestandteil und enthielt in geringeren Mengen auch Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Argon.

Dritte Atmosphäre

Der Sauerstoff spielt die Hauptrolle bei der Herausbildung unserer heutigen, der dritten Atmosphäre. Dabei kommt der Photosynthese eine dominante Stellung zu und andere Effekte, wie die Photodissoziation des Wasserdampfs, sind nahezu vernachlässigbar. Obwohl es mit den Cyanobakterien wahrscheinlich schon vor 3,5 Milliarden Jahren erste Lebewesen gab, die oxidative Photosynthese betrieben, zeigte sich deren Effekt auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre sehr spät. Ursache für die zunächst geringe Sauerstoffanreicherung war, dass der in den Ozeanen freigesetzte Sauerstoff chemisch sofort mit anderen Stoffen seiner Umgebung reagierte.
Er wurde bei der Oxidation von zweiwertigem Eisen zu dreiwertigem Eisen (Bildung von wasserschwerlöslichen Fe(III)-Verbindungen) und bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff bzw. Sulfid zu Sulfat verbraucht. Da er folglich dem Ozeanwasser entzogen wurde und dieses nicht mit Sauerstoff gesättigt werden konnte, gelang zunächst kein Sauerstoff in die Atmosphäre. Auch sulfidische Erze wurden oxidiert, zum Beispiel FeS und FeS2 zu Fe2O3 und Fe2(SO4)3. Die Bändererze geben noch heute Zeugnis von dieser Etappe der Erdgeschichte.
Nachdem es schließlich aufgrund der immer geringer werdenden Eisen(II)-Konzentration vor etwa zwei Milliarden Jahren zur Entgasung des ersten Sauerstoffs aus den Ozeanen kam, setze sich diese Entwicklung immer weiter fort. So stieg die Sauerstoffkonzentration vor etwa 1,4 Milliarden Jahren auf 0,2 %, vor einer Milliarden Jahre auf 1 % und vor 0,4 Milliarden Jahren auf 2 %. Gleichzeitig ging die Konzentration des Kohlenstoffdioxids zurück. Vor 1,5 Mrd. Jahren treten dann die ersten aeroben Organismen auf, die den Sauerstoff nicht nur unschädlich machen, sondern dabei zusätzlich Energie gewinnen (Atmungskette). Atmung und Photosynthese erreichen dadurch letztlich ein Gleichgewicht.
Auch kam es durch die zunehmende Sauerstoffkonzentration vor etwa 750 bis 400 Millionen Jahren zur Bildung von Ozon in höheren Schichten der Atmosphäre und damit einer Abschirmung der Erdoberfläche von UV-Strahlen, was gerade für die Entwicklung des Lebens auf den Kontinenten eine entscheidende Rolle spielte. Der heutige Sauerstoffgehalt von knapp 21 % wurde schließlich vor 350 Millionen Jahren erreicht und blieb seitdem recht stabil.

Jüngere Entwicklung

In jüngster Zeit ist vor allem ein Anstieg in der Konzentration der Treibhausgase zu verzeichnen, allen voran Kohlenstoffdioxid, das seine Konzentration in den letzten hundert Jahren nahezu verdoppelt hat. Wichtig ist jedoch nicht nur die Gesamtkonzentration eines Gases über die gesamte Atmosphäre, sondern vielmehr dessen lokale Anreicherung. So ist zum Beispiel Ozon in der Ozonosphäre für alles Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung, jedoch in Höhe der unteren Troposphäre ein Gesundheitsrisiko (Smog).

Vertikaler Aufbau der Atmosphäre

Aufbau der Atmosphäre (Quelle unbekannt)



Troposphäre

Die Troposphäre reicht bis in 10 - 12 km Höhe. In ihr spielen sich alle wetterrelevanten Phänomene, wie z.B. die Wolkenbildung, ab. Physikalisch ist sie durch eine mittlere stetige Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe gekennzeichnet. Die obere Grenze der Troposphäre ist die Tropopause. Die Lage der Tropopause ist stark von der geographischen Breite und der Jahreszeit abhängig. Sie erreicht ihr Maximum von 17 - 18 km über den Tropen. Über den Polen beträgt sie nur ca. 8 km. Die Troposphäre enthält 80 % der Masse der gesamten Atmosphäre. Die Troposphäre enthält auch fast den gesamten Wassersampf der Atmosphäre. In ihrer untersten Schicht, der 1 - 2,5 km mächtigen planetarischen Grenzschicht bewirtk der Einfluß der Erdoberfläche starke Veränderungen der meteorologischen Parameter Temperatur, Wind und Feuchtigkeit. In der Höhe der Tropopause liegt die Temperatur bei etwa -60 °C. Hier treten auch die sogenannten Strahlströme (engl. jet streams) als relativ schmale Bänder mit sehr hohen Windgeschwindigkeiten (bis 500 km/h) auf. Im Bereich dieser Strahlströme laufen ständig wichtige Prozesse ab, die zu einer vertikalen Aufspaltung, Auflösung oder Neubildung der Tropopause führen.

Stratosphäre

Ozongehalt in derAtmosphäre (Quelle unbekannt)

Die Stratosphäre (12 - 50 km) schließt nach oben an die Troposphäre an. Charakteristisch ist der deutliche Anstieg der Ozonkonzentration mit einem Maximum in etwa 30 km Höhe. Auch die Temperatur steigt in dieser Sphäre wieder an und liegt in 50 km Höhe bei ca. 0°C. Diese Erwärmung wird wesentlich durch das Ozon verursacht, welches der kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung absorbiert. Deshalb ist die Ozonschicht für das Leben auf der Erde von größter Wichtigkeit. Die Stratosphäre ist praktisch wolkenfrei, da wegen der extrem niedrigen Temperaturen in der Tropopause auch der Transport von Wasserdampf aus der Troposphäre in die Stratosphäre so gering ist, dass die Stratosphäre praktisch keinen Wasserdampf enthält. Die Stratosphäre läßt sich in eine untere Stratosphäre unterteilen, die eine gleichbleibende Temperatur von -56 °C besitzt und einer oberen Stratosphäre oberhalb von 20 km Höhe. Hier steigt infolge der Strahlungsabsorption die Temperatur bis auf durchschnittlich 0 °C an. Wegen dieses Temperaturanstiegs mit der Höhe (vergleichbar mit einer Inversionswetterlage), finden Vertikalbewegungen nur sehr begrenzt statt. In den unteren 30 km der Atmosphäre konzentrieren sich nahezu 99% der gesamtem Masse der Atmosphäre.

Mesosphäre

Die Mesosphäre (50 - 85 km) ist wieder durch eine stetige Temperaturabnahme gekennzeichnet, die ihr Minimum mit fast -100 °C in ca. 80 km Höhe erreicht. Dies ist gleichzeitig die obere Grenze der Mesosphäre.

Thermosphäre

In der Thermosphäre (85 - 500 km) lassen sich wegen der geringen Teilchendichte praktisch keine Temperaturen sondern nur Strahlungsenergien bestimmen.

Exosphäre

Die Exosphäre (> 500 km) schließt sich je nach Definition in 500 - 1000 km Höhe an. Hier ist der Druck bereits so niedrig, daß von einem Vakuum gesprochen werden kann.

Andere Gliederungsmöglichkeiten

Neben der obigen Differenzierung, die auf dem Temperaturgradienten beruht, kann je nach Betrachtung der Atmosphäre auch eine Einteilung nach anderen Kriterien gefunden werden.
Der Grad der Ionisierung gliedert die Atmosphäre in die Neutrosphäre, die sich vom Boden bis in etwa 80 km Höhe erstreckt, die Ionosphäre von 80 - 1000 km und die Protonosphäre. Oberhalb der Stratosphäre gibt es kein Ozon, daß die energiereiche Strahlung der Sonne absorbieren könnte, daher stellt sich in charakteristischen Schichtungen ein hoher Ionisierungsgrad ein, die Ionosphäre wird in D (80 - 100 km), E (um 100 km) und F-Schichten (F1: 150 - 250 km; F2: 250 - 500 km) unterteilt, die insbesondere in der Nachrichtentechnik eine wichtige Rolle spielen, da an diesen Schichten Radiowellen (Kurzwelle) reflektiert werden. Darüber, schon in der Exosphäre, findet man nur noch ionisierte Wasserstoffatome, also Protonen, die dieser Sphäre ihren Namen geben.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre ist ein weiteres Unterscheidungskriterium. Die untere Atmosphäre ist bis auf wenige Ausnahmen gut durchmischt und wird daher als Homosphäre bezeichnet. In der Homosphäre befindet sich die überwiegende Masse der Atmosphäre, nämlich über 100 000 mal so viel wie in dem gesamten darüber liegenden Teil der Gashülle. Ab etwa 80 bis 100 km Höhe erfolgt eine Ausrichtung nach dem Molekulargewicht, mit dem Höchsten unten und dem Niedrigsten oben. Diesen Bereich nennt man Heterosphäre.

Die Reibung in der Atmosphäre ist ebenfalls ein Unterscheidungsmerkmal. Es wird die Peplosphäre von der freien Atmosphäre unterschieden. Die Peplosphäre reicht je nach Orographie bis in ca. 2 km Höhe. Bekannter ist die Bezeichnung Grenzschicht, oder englisch boundary-layer.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre

Die atmosphärische Luft der Erde ist ein Gasgemisch mit den Hauptbestandteilen Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid. Weiterhin sind Spuren der Edelgase Helium, Neon, Krypton und Xenon enthalten. Bis zu einer Höhe von rund 20 km ist fast stets Wasserdampf in stark schwankenden Anteilen (bis zu 4 Vol.-%) in der Luft enthalten.


Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre  Volumenanteil in %  in ppm (parts per million)Anteile pro Million 
Stickstoff  78,08   780 800  
Sauerstoff  20,95   209 500  
Argon  0,934   9340  
Neon  0,0018   18  
Helium  0,0005   5  
Krypton  0,0001   1  
Xenon  0,000009   0,09  
Kohlendioxid  0,035   350  
Methan  0,00017   1,7  
Distickstoffmonoxid  0,00003   0,3  
Kohlenmonoxid*  0,00002   0,2  
Wasserstoff  0,00005   0,5  

*Kohlenmonoxid zeigt starke zeitliche Schwankungen

Weiterhin enthält die Atmosphäre noch Spurengase wie Schwefel- und Stickstoffbverbindungen (Schwefeldioxid, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid), Ozon, organische Halogenverbindungen und in der Atmosphäre erzeugte Radikale. Die Lufthülle enthält außerdem noch feste und flüssige Teilchen unterschiedlicher Natur und Herkunft als Schwebeteilchen, Staubpartikel und Aerosole.
Der Anteil Wasser in der Atmosphäre, der wie gesagt bis zu 4 % beträgt, kommt in allen Aggregatzuständen in der Atmosphäre vor. Bis zu 80 % der Gesamtmenge des Wassers in der Atmosphäre sind unterhalb von 3000 m Höhe. In der Stratosphäre fehlt Wasser mit 1 - 10 ppb (parts per billion; Anteile pro Milliarde). Trotz dieser vergleichsweise geringen Mengen spielt das Wasser in der Atmosphäre eine besonders wichtige Rolle. Infolge von Phasnewechsel zwischen gasförmig, flüssig und fest ist es an Energieumsetzungen und damit auch an der Wetterentwicklung wesentlich beteiligt. Auf Grund der Adsorptipnseigenschaften im Infrarotbereich ist Wasser für die Erwärmung der Erdatmosphäre von grosser Bedeutung.

Die Funktionen der Atmosphäre

Schutz der Lebewesen vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne).

Durchlassen von lebenswichtigem Sonnenlicht zu den Oberflächen der Kontinente und Ozeane (Energiequelle).

Schutz vor schneller Auskühlung und Überhitzung (z.B. Wärmeausgleich zwischen Tag und Nacht).

Ermöglicht eine durchschnittliche Erdoberflächentemperatur von ca. + 15 °C anstatt -18 °C.

Transport von Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des Wasserdampfs) aus Bereichen in Äquatornähe in mittlere und höhere Breiten.

Transport von Wasserdampf-Feuchtigkeit durch die dynamischen Prozesse der allgemeinen Zirkulation, wodurch die Niederschlagsverteilung bestimmt wird.

Hauptspeicher für Stickstoff (Für Pflanzen wichtig).

Reservoir für Kohlendioxid und Sauerstoff.

Ist einbezogen in verschiedene lebensnotwendige Stoffkreisläufe.

Verteilung und Abbau (Oxidation, Reaktionen mit Radikalen, Photolyse) von natürlichen und anthropogenen (durch Menschen verursachte) Emissionen.

Schutz vor kleineren Meteoriten, die wegen der großen Reibung beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und die Erdoberfläche nicht erreichen.

Die schützende Atmosphäre ist im Vergleich zum Durchmesser der Erde nur hauchdünn (Quelle unbekannt) .


Autor: Wikepedia
Quelle:
» http://de.wikipedia.org/wiki/Entstehung_der_Erde
Quelle:
» http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm