Die Erdatmosphäre: Aufbau, Schichten und ihre Bedeutung für das Klima

Struktur und Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Die Atmosphäre wird prozentual von Stickstoff (78,88 %) und Sauerstoff (20,95 %) dominiert. In den unteren Schichten der Atmosphäre, insbesondere in der Troposphäre, nimmt die Dichte mit der Höhe ab. Auf einer Höhe von 5,5 km befindet sich bereits über 50 % der gesamten atmosphärischen Masse. Auf 11 km Höhe befinden sich zwischen 25 % und 75 % der atmosphärischen Masse.

In dieser Region sinkt der thermische Gradient, was bedeutet, dass die Durchschnittstemperatur pro Kilometer Höhe um etwa 6 °C abnimmt.

Wichtige Kreisläufe und Ozonbildung

Stickstoff wird durch menschliche Aktivitäten und die Einwirkung von Mikroorganismen (über tierische Abfälle) recycelt. Sauerstoff wird hauptsächlich durch die Atmung von Tieren und Pflanzen verbraucht und durch die Photosynthese wieder freigesetzt. Kohlendioxid (CO₂) wird durch Atmung und Photosynthese (entgegengesetzt zum Sauerstoffkreislauf) aufbereitet.

Ozon (O₃) entsteht durch die Dissoziation von Sauerstoffmolekülen (O₂) in einzelne Atome durch Sonnenstrahlung, wobei diese Atome sich dann an andere zweiatomige Sauerstoffmoleküle binden.

Chemische Schichtung der Atmosphäre

Chemisch gesehen wird die Atmosphäre in drei Hauptschichten unterteilt:

• Homosphäre: Die ersten 100 km, gekennzeichnet durch ein konstantes Verhältnis der Komponenten.
• Heterosphäre: Bis zu 900 km, dominiert von leichten Gasen.
• Exosphäre: Die äußerste Schicht, in der leichte Teilchen in den Weltraum entweichen können.

Thermische Schichten und Wolkenklassifikation

Physikalisch wird die Atmosphäre in thermische Schichten unterteilt. Die untere Troposphäre ist die Region der Wetterveränderungen und klimatischen Bedingungen.

Wolkenklassifikation nach Höhe

• Niedrig: Bis zu 2.500 m
• Mittel: Zwischen 2.500 m und 6.000 m
• Hoch: Über 6.000 m

Wolken bestehen entweder aus Wasser (graue Farben, kondensiertes Wasser) oder aus Eis (Wasserdampf unter dem Gefrierpunkt, kann zur Entstehung von Hagel führen). Die morphologischen Wolkenformen sind: Stratus, Nimbus, Cumulus und Cirrus.

Stratosphäre, Jetstreams und Ozonschicht

Oberhalb der Troposphäre beginnt die Stratosphäre (ab ca. 10 km Höhe). Hier befindet sich die Region der Jetstreams, die den Klimawandel in den tropischen Regen- und Trockenzonen beeinflussen. Bei etwa 30 km Höhe liegt die lebenswichtige Ozonschicht, die das Leben auf der Erde vor schädlicher Sonnenstrahlung schützt. Die Stratosphäre endet bei der Stratopause in etwa 50 km Höhe.

Klimatische Konvergenzzonen

Das bimodale Klima Kolumbiens wird durch die Interkonfluenz der tropischen Zone gesteuert. Ecuador ist eine Wetterkonvergenzzone, in der die nordöstlichen und südöstlichen Passatwinde aufeinandertreffen.

Mesosphäre und Funkwellenreflexion

Darüber liegt die Mesosphäre, wo die Temperatur bis auf -80 °C sinkt. Sie endet bei der Mesopause in etwa 80 km Höhe. Die Mesosphäre ist wichtig für die Reflexion von Funkwellen (tagsüber unterhalb, nachts oberhalb der Mesopause). An der Mesopause herrscht ein starker Temperaturkontrast, obwohl die Luftdichte nur etwa ein Millionstel g/cm³ beträgt.

Thermosphäre (Ionosphäre)

Die letzte Region ist die Thermosphäre, auch Ionosphäre genannt. Diese Schicht ist heiß und sehr dünn. Hier entstehen die Polarlichter (Aurora Borealis und Australis).

Satelliten und Weltraumforschung

Die Thermosphäre und Exosphäre sind die Bereiche, in denen Satelliten operieren:

• 200 km Höhe: Satelliten zur Beobachtung der Erdoberfläche (nützlich für Geologie, Militär und Erntebewertung).
• 900 km Höhe: Satelliten zur Beobachtung des Weltraums (Höhe, die von Shuttle-Programmen erreicht wird).
• 35.000 km Höhe: Meteorologische Beobachtungssatelliten (geostationäre Umlaufbahn), die einen Panoramablick auf den Planeten ermöglichen.
• Über 900 km (Exosphäre): Forschung an neuen Materialien und Biotechnologie.

Die Magnetosphäre und geomagnetische Stürme

In der Exosphäre wird die Magnetosphäre erreicht, die durch kosmische Strahlung entsteht und den Bereich des Van-Allen-Gürtels umfasst. Der Druck des Sonnenwinds verformt das Erdmagnetfeld und erzeugt dynamische Schwingungen.

Während solar-magnetischer Stürme (verbunden mit monatlichen Sonnenfleckenzyklen) zeigt das Erdmagnetfeld starke Intensitätsausschläge, die geophysikalische Messungen stören können. Der Erdmagnetismus ist nicht nur für die Navigation wichtig, sondern auch für die Exploration mineralischer Rohstoffe und das Management von Bewässerungssystemen im Rahmen der Ernährungssicherheit.