Hast Du Dich schon einmal gefragt, wieso der Himmel eigentlich blau ist? Das liegt daran, dass das Sonnenlicht durch viele Gasmoleküle rund um die Erde in seine einzelnen Farbanteile gebrochen und gestreut wird. Vor allem der blaue Anteil wird besonders stark gestreut, weshalb der Himmel blau wirkt.
All die Gasmoleküle rund um den Planeten, die diese Streuung verursachen, nennt man auch Atmosphäre. Wie ist die Atmosphäre aufgebaut? Und warum ist die Atmosphäre so wichtig?
Atmosphäre – Definition
Manche Planeten des Sonnensystems, in dem sich auch die Erde befindet, haben eine sogenannte Atmosphäre. Das Wort kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus den Wörtern atmos für Dampf oder Dunst und sphaira für Kugel zusammen. Man kann Atmosphäre also mit Dunstkugel übersetzen.
Die Atmosphäre ist eine Hülle aus verschiedenen Gasen, die einen Himmelskörper umschließt.
Sie bildet sich dann um einen Planeten oder anderen Himmelskörper, wenn dieser durch eine große Masse und eine geringe Temperatur dazu fähig ist, Gasmoleküle aus dem All anzuziehen und zusammenzuhalten, also zu binden.
Ein Molekül ist ein Teilchen aus mindestens zwei Atomen, die durch eine chemische Bindung miteinander verbunden sind.
Auch die Erde wird von einer solchen Atmosphäre aus Gasmolekülen umgeben. Mann nennt sie auch Erdatmosphäre.
Diese Erklärung fokussiert sich auf ebendiese Erdatmosphäre.
Atmosphäre – Bestandteile
Je nach Masse und Anziehungskraft können sich die Atmosphären verschiedener Himmelskörper stark unterscheiden. Und auch innerhalb einer Atmosphäre gibt es Unterschiede in der Zusammensetzung, der Höhe, der Temperatur und dem Druck. Auch bei der Erdatmosphäre finden sich darin große Unterschiede.
Atmosphäre – Zusammensetzung
Die Atmosphäre der Erde setzt sich aus vielen verschiedenen Gasen zusammen.
Der größte Teil der Erdatmosphäre besteht aus Stickstoff. Dieser Anteil entspricht etwa 78 % der gesamten Menge an Gasmolekülen in der Atmosphäre.
Etwa 21 % der Gasteilchen in der Erdatmosphäre sind Sauerstoffmoleküle. Ein sehr geringer Teil, etwa 0,9 %, der Atmosphäre der Erde besteht zudem aus dem Gas Argon.
Die restlichen 0,1 % der Erdatmosphäre sind sogenannte Spurengase, also Gase, die nur in sehr geringen Anteilen in der Atmosphäre vorkommen. Dazu gehören vorwiegend Kohlenstoffdioxid, Ozon, Methan, Schwefeldioxid und Wasserdampf.
Hier kannst Du noch einmal die Anteile der einzelnen Gase in der Erdatmosphäre grafisch dargestellt sehen:
Abb. 1 - Anteile der verschiedenen Gase in der Atmosphäre
Atmosphäre – Höhe
Die genaue Höhe der Erdatmosphäre kann nicht bestimmt werden, denn der Übergang von der Atmosphäre der Erde in den Weltraum ist fließend und nicht klar abgegrenzt. Viele Forschende sprechen von einer Höhe von etwa 10.000 Kilometern, allerdings ist auch das nur eine Schätzung darüber, wie weit von der Erde entfernt noch Gasmoleküle der Atmosphäre zu finden sind.
Atmosphäre – Temperatur
Die Temperatur der Erdatmosphäre unterscheidet sich stark zwischen den einzelnen Schichten der Atmosphäre.
Sie wird von verschiedenen Faktoren wie der Entfernung zur Erde, dem Vorkommen von Ozon oder der Dichte der Gasmoleküle in der Luft beeinflusst.
Genaueres zu den einzelnen Schichten und ihren Temperaturen findest Du im Kapitel zum Aufbau der Atmosphäre.
Atmosphäre – Druck
Durch die Anziehungskraft der Erde entsteht Luftdruck. Er wird in bar oder Hektopascal gemessen.
Luftdruck bezeichnet den Druck auf die Erdoberfläche, der durch das Gewicht von Gasmolekülen entsteht. Diese Gasmoleküle werden von der Erde angezogen.
Der durchschnittliche Luftdruck auf der Erdoberfläche beträgt etwa 1 Bar. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt, desto niedriger wird der Luftdruck.
Auf anderen Planeten herrschen durch unterschiedlich starke Anziehungskräfte der Planeten auch andere Druckverhältnisse. Auf deren Oberfläche entspricht also der Druck nicht unbedingt einem Bar, sondern kann abweichen. Auf der Oberfläche des Mars herrschen beispielsweise nur 0,007 Bar.
Allerdings ist Luftdruck nicht nur von der Höhe, sondern auch von der Temperatur abhängig, weshalb diese sehr allgemeine Aussage oft nicht genau zutrifft.
Nahe der Erdoberfläche gibt es etwa sogenannte Hoch- und Tiefdruckgebiete, in denen der durchschnittliche Luftdruck abweicht. Diese Druckunterschiede entstehen durch unterschiedliche Temperaturen.
Auch in der Erdatmosphäre nimmt der Luftdruck nicht immer mit zunehmender Höhe ab. Durch die unterschiedlichen Temperaturen der Schichten verändert sich auch der Druck in der Atmosphäre.
Genauere Informationen zum Luftdruck findest Du in der gleichnamigen Erklärung dazu.
Aufbau der Atmosphäre
Die gängigste Gliederung des Aufbaus der Erdatmosphäre ist die sogenannte thermische Gliederung. Dabei wird die Atmosphäre der Erde je nach Temperatur in verschiedene Schichten unterteilt.
Aufbau der Atmosphäre – Schichten
Gliedert man die Erdatmosphäre thermisch, so kann man zwischen fünf Schichten und drei sogenannten Pausen unterscheiden. Diese Pausen grenzen immer zwei Schichten der Atmosphäre voneinander ab.
Die fünf Schichten der Atmosphäre der Erde sind:
- Troposphäre mit Tropopause
- Stratosphäre mit Stratopause
- Mesosphäre mit Mesopause
- Thermosphäre
- Exosphäre
Abbildung 2 zeigt Dir alle Schichten und Pausen der Erdatmosphäre. Hier kannst Du auch sehen, wie hoch jede einzelne Schicht in etwa reicht und wie warm oder kalt es in bestimmten Höhen circa ist.
Abb. 2 - Aufbau der Atmosphäre der Erde
Atmosphäre Schichten – Troposphäre
Die unterste Schicht der Erdatmosphäre ist die Troposphäre. Hier befinden sich etwa 80–90 % aller Gasmoleküle der Atmosphäre der Erde.
Durch den hohen Wasserstoffgehalt in der Troposphäre entsteht hier das Wetter. Auch Flugzeuge fliegen innerhalb der Troposphäre.
Mehr zum Thema Wetter findest Du in der passenden Erklärung dazu.
Die Temperatur in der Troposphäre nimmt mit zunehmender Höhe ab und sinkt etwa um 6,5° C pro Kilometer. An der Grenze zur Stratosphäre, der Tropopause, in durchschnittlich 12 Kilometern Höhe ist es im Schnitt etwa -56° C kalt.
Auch der Sauerstoffgehalt in der Luft sinkt in höheren Lagen.
Ab einer Höhe von etwa 2.000 Metern haben manche Menschen bereits Probleme mit der Atmung und bemerken körperliche Beschwerden wie Schwindel und Kopfschmerzen.
In circa 7.000 Metern Höhe werden die meisten Menschen durch den zu geringen Sauerstoffgehalt in der Luft bewusstlos.
Die Höhe der Troposphäre unterscheidet sich je nach Lage über der Erde. Über den beiden Polen ist sie etwa 7-8 Kilometer hoch, über dem Äquator jedoch bis zu 18 Kilometer. Das liegt an der unterschiedlichen Oberflächenwärme der Erde. Je wärmer es an einem Ort auf der Erde ist, desto höher ist die Troposphäre.
Atmosphäre Schichten – Stratosphäre
An die Tropopause grenzt die Stratosphäre der Atmosphäre.
In dieser Schicht befindet sich der Großteil des Ozons in der Erdatmosphäre. Dieses Gas absorbiert einen großen Teil der UV-Strahlung der Sonne und schützt die Erde so davor, zu heiß zu werden.
Durch das Ozon in der Stratosphäre erwärmt sich diese trotz der enormen Höhe wieder und erreicht in der Stratopause sogar bis zu 0 °C. Im Gegensatz zur Troposphäre verändert sich die Temperatur hier nicht proportional zur Höhe, also um eine genaue Gradzahl pro Kilometer.
Die Stratosphäre wird in circa 50 Kilometern Höhe durch die Stratopause von der darauffolgenden Schicht, der Mesosphäre, abgegrenzt.
Atmosphäre Schichten – Mesosphäre
Über der Stratopause liegt die Mesosphäre – die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre. Sie reicht in eine Höhe von etwa 80–90 Kilometern über der Erde.
In der Mesosphäre nimmt der Druck durch nur noch wenige Gasmoleküle stark ab. Dadurch sinkt auch die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder und nimmt etwa um -2,2 °C pro Kilometer ab. Die Mesopause, die Grenze zur darüberliegenden Thermosphäre, hat eine solche Durchschnittstemperatur von etwa -86° C.
In dieser Schicht verglühen die meisten Meteoriten, die sich in Richtung Erde bewegen. Durch die enorme Schnelligkeit dieser Gesteinsbrocken erhitzt sich die Luft vor dem Meteoriten sehr stark und das Gestein beginnt zu glühen. In den meisten Fällen verglüht so der ganze Meteorit. Von der Erde aus kann man dieses Phänomen als Sternschnuppe beobachten.
Atmosphäre Schichten – Thermosphäre
Über der Mesopause liegt die Thermosphäre. Hier befinden sich die Internationale Raumstation ISS und das Space Shuttle, die die Erde umkreisen. Auch Polarlichter entstehen in dieser Schicht der Atmosphäre.
In der Thermosphäre nimmt die Temperatur wieder stark zu. Das liegt daran, dass die Teilchendichte hier nur noch sehr gering ist und sich die Gasmoleküle deshalb besonders schnell bewegen.
Veränderungen der Temperatur entstehen durch die unterschiedliche Sonneneinstrahlung je nach Stand der Erde zur Sonne. Bei direkter Sonneneinstrahlung steigen die Temperaturen hier auf bis zu 1.700 °C. Treffen keine Sonnenstrahlen auf die Thermosphäre beträgt die Temperatur etwa 700 °C.
Atmosphäre Schichten – Exosphäre
Etwa 500–900 Kilometer über der Erde grenzt die Exosphäre – die äußerste Schicht der Erdatmosphäre – an die Thermosphäre an. Hier befinden sich die Satelliten, die von den Menschen zur Kommunikation und Navigation genutzt werden.
Auch in der Exosphäre herrschen, wie in der Thermosphäre, extrem hohe Temperaturen von durchschnittlich etwa 1.000 °C. Die Dichte der Gasmoleküle ist in dieser Schicht sehr gering.
Ein klares Ende der Exosphäre kann man nicht bestimmen. Sie geht fließend in den Weltraum über. Viele Forschende sprechen trotzdem von einer ungefähren Höhe von 10.000 Kilometern.
Funktion der Atmosphäre
Die Ur-Atmosphäre der Erde entstand vor rund 4 Milliarden Jahren. Im Laufe der Zeit hat sie sich immer weiter verändert, bis sie schließlich zur Lebensgrundlage der Lebewesen auf der Erde wurde.
Funktion der Atmosphäre – Überlebenswichtiger Sauerstoff
Der Sauerstoff kam erst in die Atmosphäre, als es auf der Erde erste Lebewesen gab, die Fotosynthese betrieben. Dabei stellen bestimmte Lebewesen, meist Pflanzen, Sauerstoff und Glucose aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht her.
Mehr zur Fotosynthese findest Du im Fach Chemie.
Diesen Sauerstoff geben sie dann in die Atmosphäre ab. So können alle Lebewesen auf der Erde atmen.
Funktion der Atmosphäre – Schutz vor Strahlung
Durch den Sauerstoff bildetet sich schließlich auch das Spurengas Ozon, das in der Stratosphäre zu finden ist. Dieses Ozon absorbiert gefährliche UV-Strahlung von der Sonne. So schützt es die Erde nicht nur davor zu heiß zu werden, sondern schützt auch die Lebewesen vor der Strahlung.
UV-Strahlen können Zellen nachhaltig schädigen und zerstören. Vor allem für den Menschen kann sie deshalb sehr gefährlich werden und sogar Krebs erregen.
An manchen Stellen der Stratosphäre wurde ein großer Teil des Ozons von anderen Gasen, die die Menschen produzieren, zerstört. Die entstandenen Lücken in der eigentlich geschlossenen Ozonschicht nennt man Ozonlöcher.
Solche Ozonlöcher können aufgrund des fehlenden Schutzes vor UV-Strahlung sehr gefährlich werden. Man findet sie aktuell beispielsweise über der Antarktis und über Australien.
Funktion der Atmosphäre – Schutz vor Kälte
Die Erdatmosphäre schützt den Planeten nicht nur vor Hitze, sondern gleichzeitig auch vor enormer Kälte.
Sogenannte Treibhausgase in der Atmosphäre wie Kohlendioxid und Methan absorbieren Wärmestrahlung, bevor sie von der Erde aus zurück in den Weltraum gelangt. So erhitzt sich die Atmosphäre und schützt den Planeten vor dem Auskühlen. Man nennt diesen Vorgang auch natürlichen Treibhauseffekt.
Anthropogener Treibhauseffekt
Dadurch, dass die Menschen seit einiger Zeit sehr viele zusätzliche Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan verursachen, die in die Atmosphäre gelangen, wurde dieser Treibhauseffekt in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter verstärkt. Man nennt dieses Phänomen dann auch anthropogener Treibhauseffekt, also von Menschen gemacht.
Kohlendioxid entsteht beispielsweise durch den Ausstoß von Abgasen beim Autofahren oder Fliegen.
Methan entsteht vorwiegend bei der Lagerung von Müll und bei der Tierhaltung.
Die Atmosphäre wurde so immer wärmer und erhitzt sich bis heute weiter. So entstand auch der Klimawandel auf der Erde, weshalb es zu immer mehr Naturkatastrophen, einem steigenden Meeresspiegel und vielen weiteren schwerwiegenden Folgen kommt.
Atmosphäre – Das Wichtigste
- Die Atmosphäre ist eine Hülle aus verschiedenen Gasen, die einen Himmelskörper umschließt. Die Atmosphäre der Erde wird auch Erdatmosphäre genannt.
- Die Atmosphäre ist geprägt von einer Zusammensetzung aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 0,9 % Argon und 0,1 % Spurengasen.
- Der Aufbau der Atmosphäre der Erde kann in die fünf Schichten Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre unterteilt werden.
- Temperatur und Druck unterscheiden sich je nach Schicht der Erdatmosphäre.
- Die Atmosphäre schützt die Erde vor extremer Hitze oder Kälte und bildet die Lebensgrundlage der Lebewesen auf der Erde.
Nachweise
- Spektrum.de: Atmosphäre. (29.7.2022)
- Dwd.de: Atmosphäre. (29.07.2022)
- Dwd.de: Erdatmosphäre. (29.07.2022)
- Dwd.de: Die Schichten der Atmosphäre. (29.07.2022)
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