Die Atmosphäre der Erde: Entstehung und Aufbau

Die fluiden Schichten der Erde

Zu den fluiden Schichten der Erde zählen die Atmosphäre (Gashülle) und die Hydrosphäre (Wasserhülle).

Entstehung der fluiden Schichten

Nach der Bildung des Planeten vor rund 4,57 Milliarden Jahren bestand die Protoatmosphäre vermutlich aus Helium und Wasserstoff. Diese leichten Gase konnte die Erdanziehung jedoch nicht halten. Die zweite Atmosphäre entstand durch die Entgasung von Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) sowie Stickstoff- und Schwefelverbindungen aus dem Erdinneren. Es wird vermutet, dass ein Großteil des Wassers auf der Erde von Kometen stammt. Mit der Abkühlung der Erde bildeten sich vor etwa 3,8 Milliarden Jahren die ersten Ozeane. Ihre Salinität resultierte aus vulkanischen Ausgasungen und der Erosion von Gesteinen.

Entwicklung der Atmosphäre

Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren (3500 Ma) begannen Cyanobakterien, durch Photosynthese reichlich Sauerstoff (O₂) zu produzieren, was durch fossile Stromatolithen belegt ist. Die genaue Zusammensetzung der frühen Atmosphäre ist nicht mit Sicherheit bekannt, aber es ist klar, dass sie sich von der heutigen unterschied. Nach der Kondensation der Hydrosphäre kam es zur Anreicherung von molekularem Sauerstoff in der Atmosphäre. Die Atmosphären anderer Planeten weisen bis heute keine signifikanten Mengen an O₂ auf. Die Sauerstofffülle unseres Planeten kann nur durch Photosynthese erklärt werden. Leben entstand bereits sehr früh in der Erdgeschichte.

Die Atmosphäre: Aufbau und Eigenschaften

Allgemeine Eigenschaften

Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle der Erde, die durch die Gravitation an den Planeten gebunden ist. Ihre Dichte und ihr Druck nehmen mit der Höhe ab. Die Obergrenze der Atmosphäre wird bei etwa 10.000 km angenommen, wo die Gasdichte der des Weltraums entspricht. Die für Wetterphänomene und das Leben relevante (funktionelle) Atmosphäre reicht jedoch nur bis etwa 100 km Höhe (Kármán-Linie).

Schichtung der Atmosphäre

Die Atmosphäre lässt sich in verschiedene Schichten unterteilen:

• Homosphäre: Reicht bis ca. 80 km Höhe. In diesem Bereich sind etwa 99 % der atmosphärischen Gase konzentriert, und die Zusammensetzung der trockenen Luft ist homogen (ca. 78 % molekularer Stickstoff (N₂), 20,95 % Sauerstoff (O₂), 0,93 % Argon (Ar), Spurengase wie H₂O, O₃, CO₂). Sie enthält auch Schwebstoffe (Aerosole) wie z. B. Staub, Eiskristalle, Seesalzpartikel und vulkanische Asche.
• Heterosphäre: Befindet sich oberhalb der Homosphäre bis zur Obergrenze der Atmosphäre (ca. 10.000 km). Hier kommt es zu einer Entmischung der Gase nach ihrem Molekulargewicht. Die Schichten bestehen (von unten nach oben) hauptsächlich aus: molekularem Stickstoff (N₂), atomarem Sauerstoff (O), Helium (He) und atomarem Wasserstoff (H).

Luftdruck

Der Luftdruck entsteht durch das Gewicht der Luftsäule über einem bestimmten Punkt. Er nimmt mit zunehmender Höhe exponentiell ab, da Gase kompressibel sind. Druckunterschiede in der Atmosphäre verursachen Luftbewegungen (Wind).

Druckeinheiten:

• 1 Millibar (mb) = 1 Hektopascal (hPa) = 100 Pascal (Pa)
• 1 physikalische Atmosphäre (atm) = 1013,25 mb (oder hPa) ≈ 760 mmHg (Millimeter Quecksilbersäule)