Die Erdatmosphäre: Ihre chemische Zusammensetzung, vertikale

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Die Erdatmosphre: Ihre chemische Zusammensetzung, vertikale Struktur und Physik

Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 B. Klose, H. Klose, Meteorologie, Springer-Lehrbuch, DOI 10.1007/978-3-662-43578-6_2

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Um herauszufinden, was zwischen dem Himmel und der Erde schwebt, mssen wir uns zunchst mit der Erdatmosphre, d. h. der Dampf- bzw. Gashlle (griech. ao = Dampf, sea = Kugel) unseres Planeten, befassen und folgende Fragen beantworten:

Warum besitzt unsere Erde eine Atmosphre? Wieso verflchtigt sich diese nicht merklich?

Die Erde verdankt ihre derzeitige vierte Atmosphre dem Gleichgewicht zwischen der Gravitation (Schwerkraft) und den Eigenbewegungen der Molekle und Atome, die in der Lufthlle enthalten sind. So hlt die Gravitationskraft die Gase, die sich infolge ihrer thermisch bedingten Bewegung durch Diffusion rasch in den Weltraum verflchtigen und dort gleichmig verteilen wrden, nahe der Erdoberflche fest.

Die exponentielle Abnahme der Luftdichte und damit des Luftdrucks mit der Hhe bewirkt aber andererseits, dass Gasmolekle mit kleinen Massen (atomarer Wasserstoff, Helium) bei geringen Drcken eine hhere thermische Geschwindig-keit als Molekle mit greren Massen (Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid) besit-zen und damit oberhalb 500 km Hhe in den materiearmen Weltraum, die Exosph-re, entweichen knnen. Diese Molekle folgen ballistischen Trajektorien, wenn ihre Geschwindigkeit 11,2 km s1 berschreitet (vgl. Karttunen 1994, Paus 1995). Damit kommt es zu einem rapiden Verlust von atomarem Wasserstoff in der oberen Atmo-sphre, der in Bodennhe zunchst in molekularer Form durch die Verdunstung von Wasser ber den subtropischen Ozeanen und durch Vulkanausbrche nachgeliefert wird.

Betrachtet man die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphre, beginnt der Himmel oberhalb 500 km Hhe, wo unter normalen Bedingungen die Tempera-tur 1500 K, in Phasen erhhter Sonnenaktivitt 2000 K betrgt und nur noch wenige Wasserstoffatome vorhanden sind. Zu beachten ist hierbei, dass die Erdatmosphre in Abhngigkeit von der Sonnenaktivitt sowie Jahres- und Tageszeit pulsiert.

16 2 Die Erdatmosphre: Ihre chemische Zusammensetzung

Bercksichtigt man darber hinaus, dass die im Bereich der Exosphre auftre-tenden Teilchen im Mittel geladen sind und deshalb durch das Magnetfeld der Erde festgehalten werden, dann befindet sich der Himmel oberhalb der Magnetopause, die einige zehn Erdradien hoch liegt (s. auch Abb. 2.1; rote Kurve: Temperatur).

2.1 Zusammensetzung der Erdatmosphre

Unsere Erdatmosphre ist eine relativ dnne Hlle aus Gasen und suspendierten Partikeln, die bis ca. 100 km Hhe ihre stoffliche Zusammensetzung beibehlt. Da-bei sind 99 % ihrer Masse in einer Schicht konzentriert, die etwa 0,25 % des Erd-durchmessers ausmacht. Bildlich gesprochen gleicht sie damit der Schale unseres Erdapfels.

Hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterscheidet man zwischen permanenten Hauptbestandteilen (N2, O2, CO2, Ar) und permanenten Spurengasen (alle anderen Edelgase, H2, N2O) sowie sehr variablen, stark rumlich und zeitlich schwankenden Anteilen (besonders H2O, CH4, O3, SO2, CO und andere anthropogene Spurengase). Den grten Volumenanteil an der trockenen Luft besitzt gem Tab. 2.1 der moleku-lare Stickstoff (78 %), gefolgt vom molekularen Sauerstoff (21 %), dem Edelgas Argon (0,9 %) und dem Treibhausgas Kohlendioxid (0,04 %). Die in den Tab. 2.1 und 2.2 angegebenen Werte wurden gem Landoldt-Brnstein 1988, Guderian 2000a, Kraus 2001 und Mller 2003 ausgewhlt.

Abb. 2.1 Aufbau der Atmosphre. ( Fontner-Forget, diGraph Lahr/FC I Frankfurt/M.)

172.1 Zusammensetzung der Erdatmosphre

Die Menge der Edelgase Argon, Neon, Helium, Krypton und Xenon sowie der anderen variablen oder nicht variablen Spurengase ist insgesamt so gering, dass man sie nicht mehr in Prozent, sondern als Anteil der Gesamtanzahl der Molekle in einer Luftprobe angibt. Allgemein verwendete Einheiten sind millionstel Anteile ppm (parts per million = 106), milliardstel Anteile ppb (parts per billion = 109) und trillionstel Anteile ppt (parts per trillion = 1012). Neben einer Konzentrationsangabe in Volumenprozent (ppm(v)) werden auch Massenmischungsverhltnisse (ppm(m)) bzw. mi,mass verwendet. Die hierfr notwendigen Umrechnungen sind in Tafel 2.1 enthalten.

Tafel 2.1 Umrechnungsfaktoren fr Konzentrationsangaben

mitMi: molare Masse der Substanz (g mol

1)MLuft: mittlere molare Masse der Luft (g mol

1)STP: Standardatmosphre (Standarddruck: 101,325 N m2 und -temperatur:

273,15 K)STP: Luftdichte bei STP (1,293 kg m

3)mi,vol 10

6 = 1 ppm; 109 = 1 ppb; 1012 = 1 ppt

m ,massM

Mm ,voli

i

Lufti

=

Tab. 2.1 Zusammensetzung der Atmosphre bis in ca. 100 km Hhe (Hauptbestandteile)HauptbestandteileGas

Chemisches Symbol

Molmasse (103 kg mol1)

Volumenanteil Parts per Million (ppm)

Stickstoff N2 28,013 0,7808 780 800,0Sauerstoff O2 31,999 0,2095 209.500,0Argon Ar 39,948 0,0093 9300,0Kohlendioxid CO2 44,010 0,0004 400,0trockene Luft ohne 28,965 1,0000 1000.000,0Wasserdampf H2O 18,015 0,010,04 Im Mittel

20.000,0

Tab. 2.2 Zusammensetzung der Atmosphre in ca. 100 km Hhe (konstante Spurengase)Spurengase Gas Chemisches

SymbolMolmasse (103 kg mol1)

Volumenanteil Parts per Million (ppm)

Neon Ne 20,183 1,82 105 18,200Helium He 4,003 5,24 106 5,240Krypton Kr 83,800 1,14 106 1,140Wasserstoff H2 2,016 5,00 10

7 0,500Distickstoffoxid N2O 44,013 3,10 10

7 0,310Xenon Xe 131,300 8,70 108 0,087

18 2 Die Erdatmosphre: Ihre chemische Zusammensetzung

Von den Spurengasen beeinflussen insbesondere der Wasserdampf, das Kohlendi-oxid, Methan und Ozon die Energiebilanz der Erde in bedeutendem Mae. Auer-dem enthlt unsere Lufthlle noch feste und flssige Bestandteile unterschiedlicher Natur und Herkunft als Schwebeteilchen und Staubpartikel. In Tab. 2.3 sind die in der Erdatmosphre enthaltenen variablen Spurengase bis in eine Hhe von etwa 100 km aufgefhrt.

Die Zusammensetzung der Erdatmosphre kann sich in Abhngigkeit von vor-handenen Senken und Quellen besonders hinsichtlich ihrer Spurengaskonzentration sowohl rumlich als auch zeitlich ndern, aber turbulente horizontale und vertikale Austauschprozesse bewirken eine gleichmige chemische Zusammensetzung bis in etwa 100 km Hhe. Man bezeichnet diese gut durchmischte Schicht deshalb auch als Homosphre (griech. homos = gleich). In diesem Hhenbereich ist die mittlere freie Weglnge der Molekle so klein, dass der turbulente Austausch durch moleku-lare Diffusion nur wenig gedmpft wird. Innerhalb der Homosphre befinden sich 99,999 % der irdischen Luft. Sie wird durch die Turbo- bzw. Homopause begrenzt, an die sich die Heterosphre (griech. hetero = anders, fremd) anschliet. Hier ist die mittlere freie Weglnge der Molekle grer als die turbulente Verschiebungslnge, sodass der diffuse Transport dominiert. Folglich tritt eine Entmischung der Gase aufgrund ihrer unterschiedlichen molaren Massen ein. An der Atmosphrenober-grenze sind nur noch die leichten Gase wie Helium und Wasserstoff vorhanden. Beide machen zwar nur verschwindend geringe Bruchteile an der Gesamtzahl der atmosphrischen Gasmolekle aus, nehmen aber wegen ihrer kleinen Moleklmas-se (s. Atomgewichte) nur auerordentlich langsam mit der Hhe ab.

Atomgewichte:H 1,008 gmol1He 4,003 gmol1N 14,007 gmol1O 15,999 gmol1

Tab. 2.3 Zusammensetzung der Atmosphre bis in etwa 100 km Hhe (variable Spurengase)Spurengase Gas Chemisches

SymbolMolmasse (103 kg mol1)

Volumenanteil Parts per Billion (ppb)

Methan CH4 16,043 1,72 106 1,72 103

Kohlenmonoxid CO 28,011 9,0 104 0,10 103

Ozon O3 47,995 5,0 108 1550

Schwefelwasserstoff H2S 34,076 Spuren 590 103

Schwefeldioxid SO2 64.063 Spuren 20,05Ammoniak NH3 17,031 Spuren 40,01Stickstoffdioxid NO2 44,013 Spuren 20,03Methanal CH2O 30,063 Spuren 20,20

192.1 Zusammensetzung der Erdatmosphre

Oberhalb 150 km Hhe dominiert bereits der atomare Sauerstoff, da hier die Foto-dissoziation (Aufbrechen von Moleklen durch kurzwellige Strahlung) neben der molekularen Diffusion eine bedeutende Rolle spielt. In 400 km Hhe bildet er 94 % des gesamten Gasgemisches, wie man Abb. 2.2 entnehmen kann.

2.1.1 Atmosphrischer Wasserdampf

Die Atmosphre enthlt wechselnde Anteile von Wasser (1 bis 4 Volumenprozent) in allen Aggregatzustnden, so in der Form von Wasserdampf (unsichtbares Gas), Wassertrpfchen (sichtbar als Wolken) und winzigen Eiskristallen. Da der Wasser-dampfgehalt der Luft temperaturabhngig ist, verringert sich seine Konzentration infolge der vertikalen Temperaturabnahme rasch mit der Hhe. So sind rund 50 % des Wasserdampfgehaltes in Bodennhe konzentriert, 9095 % treten unterhalb 5 km Hhe auf, und 75 % werden zwischen 510 km Hhe beobachtet. In der unteren Stratosphre ist ihrer tiefen Temperaturen wegen weniger als 1 % Wasser-dampf enthalten.

Hauptquelle des atmosphrischen Wasserdampfs sind die tropischen Ozeane, aus denen er durch Verdunstung in die Atmosphre gelangt, und durch Quellwol-kenbildung bzw. advektive Prozesse auf- bzw. polwrts transportiert wird. Da die natrliche Verdunstung aber sehr viel grer als die anthropogene Emission durch Verbrennungsprozesse bzw. infolge des Flug- und Schiffsverkehrs ist, dominiert er den natrlichen Treibhauseffekt (s. Guderian 2000a, b), denn er stellt das wichtigste infrarotaktive Gas in der Erdatmosphre dar.

Abb. 2.2 nderung der Zusammensetzung der Erd-atmosphre. ( Referenzat-mosphre Cospar 1972)

20 2 Die Erdatmosphre: Ihre chemische Zusammensetzung

Als Senken fr den Wasserdampf wirken Kondensationsprozesse, whrend das Flssigwasser durch Niederschlagsbildung aus der Atmosphre entfernt