Aufbau und Zusammensetzung der Atmosphäre

In der Atmosphäre spielt sich das Wetter ab, das sich kurzfristig verändert. Für das Klima sind jedoch die Wechselwirkungen der Atmosphäre mit den anderen Subsystemen des klimasystems bedeutsam.

Aufbau und Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist die flache Gashülle der Erdkugel, die in ca. 10 km Höhe in den Weltraum übergeht. Bezeichnend ist der vertikale Aufbau, der einen wesentlichen Einfluss darauf hat, wie Wetter- und Klimaprozesse ablaufen. Von unten nach oben gliedert sich die Atmosphäre in die "Stockwerke" Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Ionosphäre und Exosphäre. Klimatisch bedeutsam sind allerdings nur die beiden unteren Stockwerke, da sich hier 99% der Masse der Luft befinden. Ein wichtiger Grund ist die rasche Abnahme der Luftdichte nach oben. Sie beträgt am Boden 1,225 kg pro m3, an der Tropopause, der Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre, nur noch 0,36 kg pro m3.1 Entsprechend nimmt der Luftdruck von 1013 hPa am Boden auf 226 hPa an der Tropopause und 1 hPa an der Stratopause, der Obergrenze der Stratospäre, ab.

Stockwerkaufbau der Atmosphäre
Abb. 1:
Der Stockwerkaufbau der Atmosphäre2

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist ein weiterer wichtiger Klimafaktor, da sie einen entscheidenden Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre besitzt. Die Atmosphäre setzt sich hauptsächlich aus Stickstoff (78,1 %), Sauerstoff (20,9 %) und Argon (0,93 %) zusammen. Klimawirksam sind allerdings nur die sogenannten Spurengase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O) und Ozon (O3), deren Anteil zusammen unter 1% liegt. Hinzu kommt noch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, der regional sehr verschieden ist, aber im Mittel bei 1% liegt. Die Spurengase absorbieren die kurzwellige Solarstrahlung und vor allem die terrestrische Infrarotstrahlung und tragen damit über den natürlichen Treibhauseffekt entscheidend zur Erwärmung der Atmosphäre bei. Ohne die Wirksamkeit dieser Spurengase wäre es in Bodennähe um 33 oC kälter; d.h. wir hätten auf der Erde statt der gegenwärtigen +15 oC eine globale Durchschnittstemperatur von -18 oC. Mit Ausnahme des Ozons befinden sich diese Spurengase vor allem in der unteren Troposphäre.

Zu den klimawirksamen Bestandteilen der Atmosphäre gehören auch die Aerosole, kleine, in der Luft schwebende feste und flüssige Partikel, die aus verschiedensten Ausgangsprozessen (Vulkanausbrüchen, Verbrennungen, Staub, Eiskristallen) entstehen. Sie wirken im wesentlichen abkühlend, da sie Sonnenstrahlen reflektieren. Außerdem spielen Aerosole als Kondensationskerne bei der Wolkenbildung eine wichtige Rolle, und einige Aerosole absorbieren auch Strahlung. Klimatisch von besonderer Bedeutung sind die bei Vulkanausbrüchen bis in die untere Stratosphäre geschleuderten Aerosole, die über einige Jahre durch Absorption von Solarstrahlung die Temperatur in der unteren Stratosphäre erhöhen und am Erdboden absenken können. Anthropogene Aerosole, die durch Verbrennung fossiler Energieträger entstehen, haben insgesamt einen abkühlenden Effekt, da sie Sonnenstrahlen in der Troposphäre reflektieren. Ähnlich wirken sich anthropogene Aerosole durch ihre Rolle bei der Wolkenbildung aus, auch wenn die Mechanismen hier noch weitgehend ungeklärt sind.

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Abb. 2:
Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre3

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist z.T. für das charakteristische vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre verantwortlich. In der Troposphäre nimmt die Temperatur vom Erdboden bis zur Tropopause, der Obergrenze der Troposphäre, von im Mittel 15 oC auf -50 oC ab (s. Abb. 1). Der Grund liegt einerseits darin, dass, die Troposphäre durch die Absorption der Solarstrahlung durch die Erdoberfläche primär von unten erwärmt wird. Andererseits werden die von der Erdoberfläche ausgesandten Wärmestrahlen in der unteren Troposphäre von den hier besonders stark konzentrierten Treibhausgasen absorbiert. In der darüber liegenden Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu, da ein Teil der Sonnenstrahlen in der Stratosphäre von dem hier konzentrierten Ozon absorbiert wird. Das Ozon wird hier aus der Photolyse (d.h. Spaltung durch UV-Strahlung) von Sauerstoffmolekülen erzeugt. Die gegenüber der oberen Troposphäre höheren Temperaturen in der Stratosphäre begrenzen vertikale Luftbewegungen und schränken damit das Wettergeschehen auf die Troposphäre ein.

Wesentliche Prozesse des Wettergeschehens sind Verdunstung und Kondensation und die durch Temperaturunterschiede bedingte atmosphärische Dynamik. Bei Erwärmung von feuchten Oberflächen entsteht durch Verdunstung Wasserdampf, der mit der erwärmten Luft aufsteigt und bei Abkühlung durch Kondensation in flüssiges Wasser übergeht, wodurch es zur Bildung von Wolken und Niederschlag kommt. Bei der Verdunstung wird Energie verbraucht, die in dem entstehenden Wasserdampf gespeichert wird, als latente Wärme mit der Luft aufsteigt und bei Kondensation wieder frei wird. Wolken spielen eine wichtige Rolle im Energiehaushalt und sind hochgradig klimawirksam. Sie absorbieren und reflektieren sowohl die kurzwellige Sonnenstrahlung wie die langwellige Wärmestrahlung. Ihr Nettoeffekt auf den Energiehaushalt der Erde ist eine leichte Abkühlung. Dabei wirken die niedrigen Wolken deutlich abkühlend, da bei ihnen die Reflexion der Solarstrahlung überwiegt, während die hohen Eiswolken (Cirren) einen erwärmenden Effekt haben, da sie wie Treibhausgase die Sonnestrahlung eher durchlassen, die Wärmestrahlung aber absorbieren.

Anmerkungen:
1.
Hupfer, P (1998): Klima und Klimasystem, in Lozan, J.L., H. Graßl und P. Hupfer: Warnsignal Klima. Wissenschaftliche Fakten, Hamburg, S. 17-24
2. Quelle: Norbert Noreiks, Max-Planck-Insitut für Meteorologie
3. nach Max-Planck-Institut für Meteorologie: Bildergalerie, Zusammensetzung der (bodennahen) Atmosphäre

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