Die Atmosphäre: Funktionen, Zirkulation, Feuchtigkeit und Luftverschmutzung

Funktionen der Atmosphäre

Schutzschild der Erde

Die Ozonschicht in der Stratosphäre verhindert, dass UV-Strahlung die Erdoberfläche erreicht. Die Atmosphäre verhindert zudem den Einschlag von Meteoriten und anderen Objekten aus dem Weltraum, die beim Eintritt in die atmosphärischen Schichten zerfallen.

Beteiligung am Wasserkreislauf

Der in ihr enthaltene Wasserdampf kondensiert, bildet Wolken und fällt als Regen oder Schnee.

Gase für das Leben

CO₂ und O₂ sind für lebenswichtige Prozesse wie Atmung und Photosynthese unerlässlich.

Temperaturregulierung und Treibhauseffekt

Die Atmosphäre hat eine temperaturregulierende Funktion, da sie ein Gleichgewicht der Sonnenstrahlung auf der Erde aufrechterhält. Dies ist dank des Treibhauseffekts möglich, der verhindert, dass ein Teil der Wärme, die die Erdoberfläche von der Sonne erreicht, in den Weltraum entweicht.

Globale atmosphärische Zirkulation

Die Sonneneinstrahlung erwärmt die Erdoberfläche ungleichmäßig, sodass die äquatorialen Regionen wärmer sind als die Polarregionen. Dies führt dazu, dass die äquatoriale, weniger dichte warme Luft aufsteigt, während kalte Polarluft, die dichter ist, absinkt und zum Äquator strömt, um die warme Luft zu ersetzen. Das bedeutet, es bildet sich eine Oberflächenströmung kalter Luft von den Polen zum Äquator, wo die warme Luft wieder aufsteigt, sich zu den Polen hin bewegt, abkühlt und den Zyklus von Neuem beginnt.

Der Coriolis-Effekt

Ursprünglich wurde angenommen, dass sich zwei Zirkulationszellen, eine in jeder Hemisphäre, bilden. Dieses Modell ist jedoch nicht vollständig realitätsgetreu, da es nur für stationäre Systeme gilt. Auf der Erde existiert ein physikalisches Phänomen, der Coriolis-Effekt, der die Verteilung von Wind und Wasser beeinflusst. Dieser Effekt wird durch die Rotationsbewegung der Erde und ihre Rotation gegen den Uhrzeigersinn verursacht. Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde an den Polen aufgrund der Nähe zur Rotationsachse geringer ist als am Äquator, weicht die Bewegung zunehmend nach Westen ab.

Luftfeuchtigkeit

Ein weiterer Faktor, der die Bewegungen der Luftmassen beeinflusst, ist die Menge an Wasserdampf, die sie enthalten. Es kann unterschieden werden:

• Absolute Luftfeuchtigkeit: Ist die Menge an Wasserdampf, die in einem gegebenen Luftvolumen enthalten ist und in g/m³ angegeben wird. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Menge an Wasserdampf, die die Luft aufnehmen kann. Wenn die Luft eine bestimmte Temperatur erreicht, die als Taupunkt bekannt ist, beginnt sie mit Feuchtigkeit und Wasserdampf gesättigt zu sein und der Wasserdampf beginnt zu kondensieren.
• Relative Luftfeuchtigkeit: Die Menge an Wasserdampf in einem gegebenen Luftvolumen im Verhältnis zur maximal möglichen Menge. Sie wird als Prozentsatz ausgedrückt: Relative Luftfeuchtigkeit (RH) = (Tatsächliche Menge an Wasserdampf / Maximale Menge an Wasserdampf) * 100. Eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % entspricht dem Taupunkt. Beim Erreichen des Taupunktes bildet sich auf kälteren Oberflächen Tau oder Reif, wenn die Temperatur unter 0 °C liegt.

Luftverschmutzung

Definition und Hauptschadstoffe

Luftverschmutzung wird definiert als der Zustand der Atmosphäre, in dem bestimmte Stoffe und/oder Energie ein Ausmaß erreichen, das über ihre normalen Umweltbedingungen hinausgeht, wodurch Risiken, Schäden und Störungen für Menschen, Ökosysteme und Eigentum entstehen.

Kohlenmonoxid (CO)

• Quellen:
  • Natürlich: Die natürliche Entstehung ist zweitrangig und leitet sich aus der Oxidation von CH₄ ab. Weitere natürliche Quellen sind Ozeane und Waldbrände.
  • Anthropogen: Die Hauptquelle ist die unvollständige Verbrennung in Kraftfahrzeugen. Der Anteil des durch menschliche Aktivitäten emittierten CO ist so hoch, dass er die lokalen natürlichen Eliminationsmechanismen übersteigt.
• Auswirkungen: CO ist sehr giftig für Menschen und höhere Tiere und kann zum Tode führen. Es dringt leicht in die Lungenbläschen ein und bindet sich an das Hämoglobin im Blut. Dadurch verursacht CO den Tod durch Ersticken, selbst bei niedrigen Konzentrationen. Dies kann zu tragischen Unfällen in geschlossenen Räumen führen, in denen unvollständige Verbrennung stattfindet.
• Korrekturmethoden: Reaktorsysteme werden eingesetzt, um die Verbrennung zu vervollständigen. In diesen Reaktoren wird CO zu CO₂ und Kohlenwasserstoffe zu CO₂ und H₂O umgewandelt. Gängige Modelle sind der thermische Reaktortyp und der Katalysatortyp.

Stickoxide (NOx)

Es sind acht verschiedene Stickoxide bekannt, von denen jedoch nur drei häufig in der Atmosphäre vorkommen:

• Distickstoffmonoxid (N₂O): Wird natürlich emittiert und gilt nicht als direkter Luftschadstoff, da es nicht toxisch ist.
• Stickstoffmonoxid (NO): Ein giftiges, farbloses und geruchloses Gas, das hauptsächlich aus natürlichen Quellen und in geringerem Maße aus anthropogenen Quellen stammt.
• Stickstoffdioxid (NO₂): Ein giftiges, rötlich-braunes Gas mit stark erstickendem Geruch. Sein Ursprung ist fast ausschließlich anthropogen.

Auswirkungen: Die Gefahr der Kontamination von Pflanzen und Tieren durch Stickoxide ist potenziell höher als die tatsächlichen Werte in der Atmosphäre. Von diesen Oxiden weist NO₂ die höchste Toxizität für den Menschen auf; es kann das Atmungssystem beeinträchtigen und sogar tödlich sein. Darüber hinaus schädigt es Textilfarben und fördert die Korrosion von Metallstrukturen.

Schwefeldioxid (SO₂)

Schwefeldioxid (SO₂) ist das am häufigsten emittierte Schwefeloxid in die Atmosphäre.

• Auswirkungen: SO₂ wird photooxidiert und bildet Schwefelsäure (H₂SO₄), einen sauren Nebel, der als primärer Bestandteil des Schwefelsmogs bekannt ist und sehr schädlich sein kann. Darüber hinaus kehrt die in Wassertröpfchen gelöste Schwefelsäure in Form von Niederschlägen zur Erdoberfläche zurück, was zu erheblichem sauren Regen führt. SO₂ verursacht Schäden an den Blättern von Pflanzen, was deren photosynthetische Aktivität beeinträchtigt. Die meisten Auswirkungen von SO₂ auf den Menschen betreffen das Atmungssystem, wobei höhere Konzentrationen erforderlich sind, um Schäden zu verursachen als bei Pflanzen. Schwefeldioxid kann auch Schleimhäute, z.B. die Augen, beeinträchtigen. Dieser Schadstoff beeinflusst die Rissbildung von Lacken und Leder sowie die Zersetzung von Papier. Flechten sind sehr empfindlich gegenüber SO₂ und gelten selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen als Bioindikatoren für diese Art der Kontamination.