Die Atmosphäre der Erde wird nach verschiedenen Kriterien in unterschiedliche Sektoren, deren Grenzen auf bestimmter Höhe über Meeresspiegel verlaufen, aufgeteilt. Die Aufteilung nach den thermogradientalen Eigenschaften bildet von innen nach aussen aufgezählt folgende fünf Sphären (gr. Kugeln): Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und die Exosphäre. Aus dem Aspekt der chemischen Zusammensetzung betrachtet besteht die Atmosphäre aus drei verschiedenen Gastypen: Zwei homogene Gemische (Homosphären)und dazwischen eine heterogene Schicht (Heterosphäre). Der elektromagnetische Ladungszustand lässt die Geosphäre noch in eine ungeladene Schicht, in eine Ionosphäre und in eine Magnetosphäre unterteilen. Letztere gehört aber nicht mehr zur Atmosphäre, da auf einer Höhe von über 1'000 km ü.M. kein atmos (gr. Dunst) mehr vorhanden ist.
Der obere Rand zeigt die Temperatur in K und Celsius an, der linke die Höhe in m.ü.M. und der untere Rand den Druck in Pa. Der dargestellte Wertebereich befindet sich zwischen 1 und 101'300 Pa, 0 und 280'000 m.ü.M., (-90)°C und 1'700 °C und umfasst somit die untere Homosphäre (Tropos-, Stratos- und Mesosphäre) sowie den unteren Viertel der Heterosphäre (ca. Hälfte der Thermosphäre). Dünn und schwarz ist die Druckkurve in der Homosphäre eingezeichnet, welche in der Heterosphäre in eine dicke Linie übergeht. Standardmässig ist auch die schwarz-rote Temperaturkurve mit konstanten Werten zwischen 5 und 95 km ü.M. eingezeichnet, welche ganz unten einen Wetter- und in der Thermosphäre eine Sonnenwindabhängigen variablen Verlauf annimmt.
schwarze Kurve: Luftdruck
dicke rote Kurve: Lufttemperatur
(Auffälig dabei sind die Variationen in unterschiedlichen Höhen, dies erklärt sich aber mit der chemischen Zusammensetzung der Luft)
Zahlen am linken Rand: Höhe in Meter über Meer
Entstehung der Erdatmosphäre:
Etwa 4,5 mia. Jahre vor unserer Zeitrechnung ist das Planetensystem der Heliosphäre so weit abgekühlt, dass einige von den Himmelskörpern eine Oberfläche im festen aggregatzustand bildeten. Die Erde hatte in dieser Phase eine wesentlich kleinere Masse als heute, aber eine ausreichende Gravitationskraft, die so genannte "Uratmosphäre" aus den flüchtigen Gasen an sich zu binden. Diese Uratmosphäre bestand aus Wasserstoff (H2), Helium (He), Methan (CH4) und aus Ammoniak (NH3) und war nicht, wie manche Leute irrtümlich glauben, der Ursprung unserer heutigen Atmosphäre, sondern die Moleküle dieser Gase wurden durch diverse Sonnenstrahlen gespalten und mit dem Sonnenwind kontinuierlich abgetragen, bis kaum noch etwas auf der Erde blieb. In den nachfolgenden hundert millionen Jahren entstand eine zweite Atmosphäre, aus deren Grundlagen unsere heutige besteht. Man kann davon ausgehen, dass sie aus den Gasen bestand, die in Vulkanausbrüchen freigesetzt werden: 80% Wasserdampf (H2O), 10% Kohlendioxid (CO2), 7% Schwefelwasserstoff (H2S), der Rest Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und einige andere Spurengase wie Ammoniak, wovon sich durch eine photochemische Reaktion (UV- Strahlung) Stickstoff (N= Nitrogenium) abspaltete. Die Grundlage für die Entstehung der Gewässer war gegeben, wo sich vor etwa 3.5 mia. Jahren die Cyanobakterien bildeten, welche aus dem H2O Sauerstoff abspalteten, der sich zuerst mit Eisen zu Rost und danach mit Stickstoff zu Luft bindete.
Durch das Zusammenspiel der entstehenden Luft und der UV- Strahlung bildeten sich verschiedene Luftschichten mit ihren Eigenschaften, welche das Leben ausserhalb des Wassers ermöglichen. Eine von ihren Eigenschaften ist es, eindringende Fremdkörper zu verglühen und die damit entstehenden Gase teilweise durch biochemische Prozesse regelrecht auf den Boden zu schaffen.
Die Erde wird auf diesem Weg täglich mit rund 110 Tonnen Meteoritenstaub bereichert, was abzüglich der entweichenden Gase eine jährliche Massenzuwachsrate von etwa 40'000 Tonnen entspricht. In den letzten 4,5 mia. Jahren resultierte daher einen Zuwachs von nur 180'000 mia t und mit einer Durchschnittsdichte von 2,5 t pro Kubikmeter (Meteoritenstaub besteht zum wesentlichen Teil aus Silizium) einen Volumenzuwachs von 72'000 Kubikkilometer. Dieser Massenstrom ist im Vergleich zur totalen Erdmasse 5,97*10^21 t, d.h. 5,97 mio. trillionen t vernachlässigbar( durchschn. Dichte der Erde: 5,1 t/m^3), jedoch enspricht dies mehr als einen Drittel der rund 5,1*10^15 t (5,1 trillionen t) Masse an Atmosphärengase. Die Erde und vor Allem ihre Atmosphäre ist dank biochemischen und astrophysischen Prozessen laufenden Veränderungen ausgesetzt.
Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre:
In der unteren Homosphäre, also bis 80'000 m.ü.M. ist das Luftgemisch zum grössten Teil konstant und besteht aus Volumenanteilen von 78% Stickstoff (N2), 21% Sauerstoff (O2), 0.9% Argon (Ar) und 0.1% Spurengase. Kohlenstoffdioxid ist eines dieser Gase und ist mit einem Durchschnittswert von 0.038 Voluen-% je nach Höhe variabel wie das Ozon (O3).
Die Dichte von Luft lässt sich durch die molaren Massen ihrer Bestandteile und dem Molvolumen des idealen Gases berechnen: Molare m von N2: 28, von O2: 32, mol-V: 22.4138. Es gilt bei 273,15 K und 101'325 Pa folgende Rechnung: ((0,78*28+0,21*32+0,01*40)/22,4138)= 1.29. Das Gewicht der Luft beträgt also 1.29 kg pro Kubikmeter.
Wenn man jetzt auf die Idee kommt, die selbe Rechnung mit dem CO2 zu machen (C hat die molare m von 12), kommt man auf eine Dichte von total 1,9. Das heisst, CO2 sinkt ab und befindet sich hauptsächlich in tieferen Lagen, wird aber konvektiv durch Wetter- und Klimavorgänge aufgewirbelt und verbreitet.
Ozon ist ein Gas, welches aus Sauerstoff unter Einwirkung von UV-Strahlen entsteht und diese gleichzeitig absorbieren. Das heisst, in den oberen Luftschichten bildet sich das Ozon, welches die UV-Strahlen absorbiert und die unteren Schichten davor schützt. UV-Strahlung, kleiner als 240 nm wandelt 3 O2- Moleküle in 2 O3 Moleküle, UV-Strahlung, die grösser als 240 nm ist, macht den umgekehrten Prozess. Kurzwelligere Strahlen werden von O3 absorbiert, während langwelligere Strahlen durchgelassen werden, was in der Natur zum ausgewogenen Verhältnis von O2 und O3 führt. O3 hat ausserdem die Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung in Wärme umzuwandeln, was das Phänomen erklärt, dass es im oberen Bereich der Stratosphäre, wo die O3- Konzentration am höchsten ist, die Temperatur trotz extrem geringer Luftdichte auf 0°C ansteigt. Da kann man sich einmal vorstellen, wieviel Wärmepotential in einem Mol O3 stecken muss. Erst in der Mesosphäre, wo der Druck auf unter 0.1% des Meereshöhendruckes fällt, ist der Temperaturgradient pro Höhe wieder Rückläufig. Nicht zu vergessen ist, dass sich die ganze Mesosphäre in der Homosphäre befindet, d.h. das Gemisch ist rösstenteils konstant, es handelt sich also nur um kleinste Aenderungen des O3-Gehalts, was offensichtlich den Temperaturverlauf dermassen beeinflusst.
In der Heterosphäre (ab Thermosphäre bis Ende Exosphäre (ca.500'000-1'000'000 m.ü.M.)) trennen sich die Teilchen je nach Masse. Im unteren Bereich der Thermosphäre befindet sich mehr Sauerstoff, darüber etwas mehr Stickstoff und die Spurengase weichen nach oben. Die wenigen Wasserstoffatome, die durch die Ozonschicht aufsteigen konnten, werden in der Regel durch den Sonnenwind ionisiert und verlassen das Gravitationsfeld der Erde, da sie zu wenig Masse besitzen. Die abweichenden Wasserstoff- und Heliumatome bilden ausserhalb der Heterosphäre wieder eine Homosphäre, die durchschnittliche Bewegungsfreiheit der einzelnen Atome beträgt aber meistens mehrere Kilometer. Die obere Homosphäre (ab etwa 1'000 km ü.M.) ist also de facto ein Vakuum.
Die physischen Eigenschaften der Atmosphäre:
Um die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre zu analysieren, ist vor Allem der Druckgradient aussagekräftig. Durch die Betrachtung der Druckkurve innerhalb der Homosphäre lässt sich die gesamte Masse der Luft und ihre Verteilung auf der Erde berechnen. Besonders wenn 99,9% der gesamten Luftmasse sich in der unteren Homosphäre befindet, können darüberliegende Luftschichten für physikalische Berechnungen weitgehendst vernachlässigt werden. (In der Heterosphäre verhält sich der Druckgradient nicht linear oder progressiv, was ich in der Graphik oben mit der Darstellung als dicke Linie am linken Rand zu symbolisieren versuchte). Für atmosphärenphysische Berechnungen bezieht man sich aber nur auf die Werte in der Homosphäre.
Luftverteilung:
Der Luftdruck halbiert sich pro 5'500m Höhenzunahme, er hat also auf der normalen Reisehöhe von 11'000 m etwa 25'000 Pa, es befindet sich also 3/4 der gesamten Luftmasse unterhalb dieser Höhe. Dem zu Folge ist der Luftdruck auf der Höhe von 5'500 m.ü.M. als Mittelwert zu betrachten, womit sich die durchschnittliche Luftdichte- und somit auch die totale Luftmasse der Erde berechnen lässt. Die Zahlen beruhen auf den Werten der geographisch mittleren Breitengrade (um N/S 45°), da die Dicke der Atmosphäre je nach Region variiert (in den Polarregionen ist sie etwa halb so dick als am Aequator). Der Luftdruck am Boden ist dadurch aber nicht beeinflusst, da den äusseren Luftschichten am Aequator mehr Gravitationskraft an die Centrifugalkraft abtreten als in den Polargebieten. Die totale Luftmasse berechnet man mit der Luftdichte (1,29 kg/m^3) mal die Höhe des halben Luftdruckes mal Oberfläche der Erde, das ergibt total 5.1*10^18 kg.
Thermodynamische Eigenschaften:
Wie im Diagramm dargestellt ist, unterteilt man die Atmosphäre in verschiedene Sektoren, die vor Allem von ihren Temperaturgradienten abhängen. Auffällig sind auf den ersten Blick die enormen Temperaturunterschiede, welche unter Umständen bis zu 2'000°C betragen können. Sicher ist es Sinnvoll, die Atmospärenschichten nach diesem Kriterum zu unterteilen, da sich somit vieles über ihre Gaszusammensetzung herauslesen lässt. Fügt man aber zur Temperaturkurve eine Druckkurve in die Graphik ein, relativiert sich die Bedeutung der Temperaturkurve. Für die Atmosphärenphysik und ihrer technischer Nutzung ist der Verlauf der Druckkurve viel bedeutender als die Temperaturkurve.
Das fälschlich angenommene Weltbild, in der Thermosphäre, wo es ja so heiss ist, verglühen die eindringenden Meteoriten, wird erst bei der betrachtung des Druckverlaufes aufgehoben. Es stimmt zwar, dass etwa ab Beginn der Heterosphäre, also oberhalb der Ozonschicht, die elektromagnetischen Strahlungen der Sonne die ungeschützten O2-Moleküle so stark zum schwingen bringen, dass man ihnen anhand ihrer Bewegung eine Energie zuordnen kann- womit man ihnen eine hohe Temperatur zuschreibt, man würde diese aber kaum messen können, da der Druck so klein ist, dass dort schon fast Weltraumtemperaturen von -27o°C herrschen. Dort verglühen also keine Fremdkörper, die auf die Erde eindringen, sondern dieser Prozess geschieht erst in der Mesosphäre, wo die Temperatur bis auf -90°C fällt. Die mit 40- 70 km/s auf die Erde fliegenden meistens wenige Gramm schweren Partikel erzeugen durch ihre Reibung am O3 eine so starke Erwärmung, dass sie verglühen und dabei das umgebende Gas ionisieren, was in der Dunkelheit als kurzes Aufleuchten sichthar ist.
Kinematischer Einfluss der Atmosphäre auf die Erde:
Schliesslich ist noch auf die Frage einzugehen, was die Atmosphäre rotationsmechanisch für Auswirkungen auf den Planeten hat, da die veränderten Radien des Körpers ein anderes Massenträgheitsmoment verursachen.
Meine Behauptung ist es, dass es möglich ist, durch einen erhöhten Ausstoss eines Gases die Rotation der Erde künstlich zu beeinflussen: Ein bekanntes Thema ist die Emission des Atmosphärengases Kohlenstoffdioxid (CO2). Ich will die These kinematisch belegen, dass sich durch das künstliche Freisetzen des bisher im Boden befindenden Kohlenstoffes der Massenschwerpunkt der Erde (durch Massenanreicherung der Atmosphäre) verschiebt, sich das Massenträgheitsmoment ändert und die Winkelgeschwindigkeit abnimmt, was die Tage verlängern wird.
Die Erde hat eine totale Masse von 5,97*10^24 kg, einen Radius von 6'379'500 m (ohne Atmosphäre) und entspricht einer gefüllten Kugel mit einer Dichte von 5'100 kg/m^3. Das Massenträgheitsmoment lässt sich somit berechnen: (2/5)*5.97*10^24*6'374'000^2= 97'019'367'888*10^27 kg/m^2. Das Drehmoment ist (2*pi*rad)/(24*3600)=0.000072722 rad*s^-1. (Das Objekt dreht sich ein Mal pro 24*3600 s um 360°). Multipliziert man diese beiden Ergebnisse, erhält man den Drehimpuls L. Das selbe macht man mit der Masse der Luft, einfach mit der Formel einer Hohlkugel ((3/2)*m*r^2), Masse der Luft ist 5,1*10^18 und der Radius ist 5'500 m mehr, da der Schwerpunkt der Luft auf der Druckhöhe von 50'000 Pa liegt. Die Impulskomponente der Luft macht 1/701'142 dessen der ganzen Erde aus und wird davon subtrahiert. Gemäss Medienberichten stösst der Mensch jährlich rund 36,3 Gigatonnen CO2 aus, wovon Kohlenstoff C einen Massenantel von rund 9,1 Gigatonnen hat. Daraus berechnet man den Massenträgheitsmomentabbau des festen Erdkörpers und den Zuwachs zur Luftmasse, beachtet den Schwerpunkt der Atmosphäre und man erhält somit ein neues totales Massenträgheitsmoment J, welches man durch den Drehimpuls dividiert, was die neue Winkelgeschwindigkeit ergibt. Man erhält anstatt 0.000072722 rad*s^-1 neu 0.000072719 rad*s^-1, was einem Quotient von 1.00004 entspricht, woraus man schliessen kann, dass durch diese Massenverlagerung eine Umdrehung der Erde um 0.004% länger geht, der Tag hat dann also nicht mehr 86'400 Sekunden, sondern um 3.456 s mehr.
(Vgl. Situation mit einer rotierenden Eiskunstläuferin, die durch das Ausstrecken der Arme an Rotationsgeschwindigkeit verliert).
Zur Veranschaulichung kann unter Umständen die Darstellung eines Flüssigkeitsbildes dienen: Das Volumen des Fluides soll den Drehimpuls (L) representieren, die Höhe die Winkelgeschwindigkeit (omega) und die Breite das Massenträgheitsmoment (J). Hier ist ersichtlich, dass im Gefäss mit dem schmaleren J bei gleicher Kapazität die Höhe "omega" grösser ist. So verdeutlicht man das kinematische Verhalten in der Rotationsmechanik.
Quellen:
(chemische und physikalische Grundlagen):
- Meteorologie: Karl Heinz Hack "Aviation Meteorology"/ Vorlesungen und Skript Dr. Neininger
- Klett "Formeln und Daten"
- Prof. Maurer: Vorlesungen und Systemdesign
Zahlenwerte stammen aus verschiedenen Quellen, teils eigenen Unterlagen, Projekten, etc., womit sich die Genauigkeit in Grenzen halten kann.
