Die Atmosphäre der Erde: Schichten und physikalische Eigenschaften

Die Atmosphäre

Die Atmosphäre ist eine gasförmige Hülle, die unseren Planeten bis in etwa 1000 km Höhe umgibt. Sie enthält etwa 75 % der Gesamtmasse der Luft an der Erdoberfläche.

Troposphäre

Die Troposphäre reicht etwa 13 km hoch. In ihr finden die meisten Wetterphänomene statt, und die Luft ist durch vertikale Strömungen stark durchmischt. In der unteren Troposphäre bilden sich häufig Tiefdruckgebiete (Borrasca).

Tropopause

Die Tropopause ist die Übergangsschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Hier verlaufen die Jetstreams, Regionen mit starken Winden, die großen Einfluss auf das Wetter haben. Ihre Höhe ist je nach Jahreszeit und Breitengrad unterschiedlich.

Stratosphäre

Die Stratosphäre liegt etwa zwischen 13 und 50 km Höhe. In ihrem unteren Teil ist die Temperatur nahezu isotherm und sogar etwa -40 °C bis -3 °C kalt. Das in dieser Schicht enthaltene Ozon (O₃) absorbiert die ultraviolette Strahlung der Sonne und erwärmt dadurch die Luft.

Mesosphäre

Die Mesosphäre liegt zwischen 50 und 85 km Höhe. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab und erreicht etwa -90 °C. Der Druck beträgt dort rund 1 hPa.

Thermosphäre

Die Thermosphäre reicht von etwa 85 bis 500 km Höhe. Die Luft wird mit zunehmender Höhe immer dünner, wobei vor allem Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) vorkommen. In etwa 200 km Höhe wird der atomare Sauerstoff durch die absorbierten UV-Photonen auf rund 1200 °C erhitzt.

Exosphäre

Die Exosphäre liegt zwischen 500 und 1000 km Höhe. Sie bildet den Übergang zum Weltraum, innerhalb der Magnetosphäre. Hier befinden sich künstliche Satelliten. Die Dichte ist extrem gering, weshalb man hier nicht von einer Temperatur im üblichen Sinne sprechen kann.

Ionosphäre

Die Ionosphäre umfasst die Bereiche D (50–90 km), E (90–140 km) und F (140–210 km). In diesen Schichten werden durch die Strahlung der Sonne zahlreiche Atome ionisiert, wodurch freie Elektronen entstehen. Dadurch können elektromagnetische Wellen reflektiert werden.

Variable Größen: T (Temperatur)

Die Temperatur wird mit Thermometern gemessen. Diese nutzen physikalische Effekte wie die Ausdehnung von Flüssigkeiten, die Veränderung des elektrischen Widerstands eines Materials oder die Veränderung des Gasdrucks. Maximal- und Minimalthermometer zeichnen die Extremwerte auf.

Druck

Der Luftdruck ist das Gewicht der Luftsäule oberhalb eines bestimmten Punktes pro Flächeneinheit. Er nimmt mit der Höhe ab; etwa 1 hPa entspricht ungefähr 9 m Höhenunterschied. Zur Messung dienen Quecksilberbarometer (nach Torricelli), Aneroidbarometer und Barografen. Die Standardatmosphäre beträgt 1 atm = 101.325 hPa = 1013,25 mbar.

Barometrische Gezeit

Der Luftdruck verläuft täglich nach einer regelmäßigen Kurve. In den Tropen ist diese Schwankung besonders deutlich und beträgt etwa 3 hPa. Unregelmäßige Veränderungen entstehen durch Wetterlagen. Die Druckänderung zwischen zwei Beobachtungen nennt man Drucktendenz.

Isobaren

Isobaren sind Linien gleichen Luftdrucks auf einer Karte.

Isallobaren

Isallobaren sind Linien gleicher Drucktendenz, also gleicher Druckänderung in einem bestimmten Zeitraum.

Isohypsen

Isohypsen sind Linien gleicher Höhe einer Druckfläche. Sie zeigen die Höhe, in der an verschiedenen Orten derselbe Druck herrscht.

Druckgradient

Der Druckgradient ist die Druckdifferenz pro Einheit der Entfernung.

Formen des Druckfeldes

• Isobare Fläche: Auf Karten wird die Isobare nur an der Oberfläche dargestellt.
• Buys-Ballot-Regel: Die Windrichtung verläuft tangential zu den Isobaren. Man blickt in den Wind, links liegt der tiefe Druck, rechts der hohe.
• Tiefdruckgebiet (Depression): Die Luft strömt gegen den Uhrzeigersinn ein, im Zentrum steigt sie auf. Dies ist oft mit Niederschlag und Bewölkung verbunden.
• Hochdruckgebiet (Antizyklone): Die Luft strömt im Uhrzeigersinn aus dem Zentrum und sinkt ab. Es herrscht meist gutes Wetter.
• Tropischer Wirbelsturm: Ein sehr intensives Tiefdruckgebiet mit starken Winden und hohem Druckgradienten.
• Sekundäres Tief: Ein Tief, das innerhalb eines größeren Tiefs entsteht.
• Trog (Vaguada): Ein langgestreckter Bereich niedrigen Drucks, bei dem die Isobaren V-förmig oder parallel verlaufen.
• Rinne (Desfiladero): Ein schmaler Bereich niedrigen Drucks zwischen zwei Hochdruckgebieten.
• Tiefdruckrinne (Throat): Der Verbindungsbereich zwischen zwei Tiefs.
• Keil (Dorsal oder Keil der Antizyklone): Ein U-förmiger Hochdruckbereich, der sich in ein Tief hinein erstreckt.
• Brücke: Ein hohes Druckband, das zwei Antizyklonen verbindet.
• Sumpf (Pantano): Ein unregelmäßiger Bereich mit geringem und gleichmäßigem Druck.
• Sattel (Collado): Ein begrenzter Bereich zwischen zwei Tiefs und zwei Hochs, die kreuzförmig angeordnet sind.

Gesetz von Gay-Lussac

Der Druck eines Gases hängt von seiner Temperatur ab. Erwärmte Luft übt einen höheren Druck aus als kalte Luft.

Druckverhältnisse in der Höhe

Beispielhafte Werte: 850 hPa entspricht etwa 1500 m, 500 hPa etwa 5500 m.

Dichte

Die Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit.

Gesetz von Boyle-Mariotte

Das Volumen eines Gases ist umgekehrt proportional zum Druck, wenn die Temperatur konstant bleibt.

Die Veränderungen von Druck und Temperatur stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit der Dichte der Luft.

Meteorologische Variablen

Zu den wichtigsten Größen gehören Temperatur, Druck, Dichte, Wasserdampf, Wolken, Niederschlag und Wind.

Wetter

Wetter ist der Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit. Es umfasst die Gesamtheit der meteorologischen Elemente. Man unterscheidet zwischen tages- und jahreszeitlichen Schwankungen.

Wasserdampf

Die Luft kann eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen. Diese Menge hängt stark von der Temperatur ab. Wird der Sättigungsdampfdruck überschritten, beginnt der Dampf zu kondensieren. Bei 100 % relativer Feuchtigkeit ist die Luft gesättigt.

Relative Luftfeuchtigkeit

Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Partialdampfdruck und dem Sättigungsdampfdruck bei der gleichen Temperatur.

Taupunkt

Der Taupunkt ist die Temperatur, auf die eine Luftmasse abgekühlt werden müsste, damit der in ihr enthaltene Wasserdampf zu kondensieren beginnt. Je höher die Feuchtigkeit, desto näher liegt der Taupunkt an der tatsächlichen Lufttemperatur.