Atmosphäre und Wetterentstehung


Die Erde besitzt im Gegensatz zu Mars und Venus eine Stickstoffatmosphäre. Die Atmosphäre der anderen beiden Planeten enthält fast zu 100% Kohlenstoffdioxid. Der CO2-Gehalt der Erdatmosphäre ist extrem gering. Dagegen kann diese bis 4% Wasser enthalten.

 
Die Struktur der Erdatmosphäre


Die Erdatmosphäre besteht aus verschiedenen Schichten. Die Schichten sind durch den Temperaturgradienten bestimmt. Temperaturinversionen stabilisieren die Schichten. Zustandsgrößen wie Luftdruck, Luftdichte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit bestimmen die Struktur.

  • Thermosphäre: ab 85 km aufwärts; O2-Moleküle absorbieren die kurzwellige Sonnenstrahlung was zur Temperaturerhöhung führt
  • Mesosphäre: ab 50 km - 85 km; Vermischungszone
  • Stratosphäre: ab 11 km - ca. 50 km; Bereich der Ozonbildung durch Absorption der UV-Strahlung:

    O2 + UV-Licht => 2O.

    O· + O2 + M => O3 + M (M ist ein anderes Molekül (O2, N2); O·= Radikal )

    1. Temperaturinversion zu Beginn (warme Luft liegt über der kalten Luft)
    2. verhindert Durchmischung mit der Troposphäre
    3. Aerosole werden in der Stratosphäre eingefangen ,
  • Troposphäre: 0 - 11 km;Wetterschicht; die Troposphäre wird ursächlich durch die Wärmerückstrahlung des Erdbodens aufgeheizt. Die Temperatur fällt ca. 7°C/km;

Vertikale Durchmischung von Luft und Wasserdampf führt zum Wetter.

(Aerosol= gasförmig-fein verteilte Partikel oder Flüssigkeitströpfchen, zB. Wolken)

 


Der Luftdruck nimmt nach oben von 1 bar am Erdboden bis in ca. 50 Km Höhe auf =0,001 bar ab. Die Temperaturinversion ab der Stratosphäre verhindert ein weiteres Aufsteigen von Heißluftballonen. In den ersten 20 Km ist 95% der Atmosphärenmasse enthalten.

Weiterhin ist der Gehalt an Wasser in der Wetterzone (Troposphäre und Stratosphäre) wichtig, da die Kondensation von Wasser beträchtliche Wärmemengen freisetzt.

Die Kondensation von 1 Kg Wasserdampf in flüssiges Wasser produziert ca. 2,5 x 103 KJ Energie.

Zusammensetzung trockener Luft in Vol%
(Spurengase sind in ppm angegeben:


z.B.  CO2 = 0,037% = 370 ppm = 370 x 10 -6).

Gase

Anteil an Volumen

Stickstoff (N2)

78.084 %

Sauerstoff (O2)

20.947 %

Argon (Ar)

0.934 %

Kohlenstoffdioxid (CO2)

0,038 %  = 380 ppm

Neon (Ne)

18.18 ppm

Helium (He)

5.24 ppm

Methan (CH4)

1.7 ppm

Krypton (Kr)

1.14 ppm

Wasserstoff (H)

0.53 ppm

Distickstoffoxid (N2O)

0.31 ppm

Xenon (Xe)

0.087 ppm

Ozon (O3)

Spuren 0.08 ppm

Kohlenstoffmonoxid (CO)

Spuren 0.25 ppm

Schwefeldioxid (SO2)

Spuren 0.1 ppm

Stickstoffdioxid (NO2)

Spuren 0.02 ppm

Ammoniak (NH3)

Spuren 0.003 ppm

FCKW in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten

FCKW

CFC-11 (CFCl3)

CFC-12 (CF2Cl2)

Konzentration (1990)

280  x 10 -12

484 x 10 -12

Nachfolgend eine Visualisierung aktueller Gaskonzentrationen feuchter Luft. Luft kann maximal 4% Wasserdampf aufnehmen. Die unten abgebildete Wasserdampfkonzentration entspricht ca. 70% Luftfeuchtigkeit. (Quelle: Physikbücher)

Um die Konzentration von Spurengasen wie CO2 zu verdeutlichen, ist dessen Vorkommen unten mit den anderen Gasen dargestellt. Eine Konzentration von 0,038 entspricht 1 CO2-Molekül pro 2631 Molekülen.

In der Luft kommen unter 1 Million Teilchen knapp 2 Methanmoleküle vor.

Relative Luftfeuchtigkeit:


Die Menge Wasserdampf in der Luft ist fast immer geringer als zur Sättigung notwendig. Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis der tatsächlichen Dampfdichte zur Sättigungsdichte.

Sättigungsdampfdruck: In einem geschlossenen Gefäß geschieht die Verdampfung so lange, bis ein Gleichgewicht zwischen der Anzahl Moleküle, die die Flüssigkeit verlassen und der die wieder eintreten herrscht. Diesen Zustand bezeichnet man als gesättigt und der Dampfdruck in (mmHg) wird Sättigungsdampfdruck genannt.

Die Einheit für Dampfdruck ist g/m3. Wenn z. B. der tatsächliche Dampfdruck 10 g/m3 ist bei 20 °C verglichen zum Sättigungsdampfdruck bei dieser Temperatur von 17.3 g/m3 , dann ist die relative Feuchtigkeit:


Quelle: http://www.bom.gov.au/lam/humiditycalc.shtml


Maximale absolute Luftfeuchtigkeit bei 20°C: 17,2 g/m3 = 100% rel. Luftfeuchtigkeit = 2,1Vol%.

Die Zustandsgrößen und andere Eigenschaften der Atmosphäre werden dauernd von verschiedenen Satelliten gemessen:

Luftfeuchtigkeit in der oberen Troposphäre vom 12. April 1995, bei 1745 UTC gemessen durch den Satelliten GOES 8. (Image courtesy of A. Gruber and R. Achutuni, NOAA National Environmental Satellite Data and Information Service.)

Quelle: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/relhum.html#c1 und
http://www.uni-koblenz.de/~odsbcg/rhnebel/relative.htm und
http://www.agu.org/sci_soc/mockler.html