Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Die Erdatmosphäre

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Die Luft[Bearbeiten]

Bestandteile der Luft, die wir atmen

Die Erdatmosphäre ist die Luft um die Erde. Bis zu einer Höhe von ca. 90 km ist ihre Zusammensetzung fast stabil. Dieser Teil besteht vor allem aus ca. 78% Stickstoff (N), ca. 21% Sauerstoff (O2), ca. 0,9% Argon(Ar), ca. 0,04% Kohlendioxid (CO2) und aus anderen Stoffen in geringerem Anteil. Allerdings betreffen diese Prozentsätze eine trockene Atmosphäre. Die Luft kann aber, je nach Bedingungen, bis 4% Wasserdampf beinhalten. Wasserdampf ist der Hauptverursacher des Treibhauseffektes.

Ab 90km ändert sich die Zusammensetzung der Luft. Atomarer Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und Helium (He) sind die Hauptkomponenten ab einer Höhe von ca. 200 km.

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Die Schichten der Erdatmosphäre[Bearbeiten]

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre fällt der Druck und die Dichte mit steigender Höhe. Oft denkt man, dass das gleiche auch für die Temperatur gilt. Das ich allerdings gar nicht der Fall. Es gibt Höhen, wo die Temperatur mit der Höhe sinkt und anderen, wo sie steigt (teilweise extrem). Die Erdatmosphäre wird in verschiedenen Schichten je nachdem unterschieden, ob die Temperatur in dieser Schicht mit der Höhe sinkt oder steigt.

Top of Atmosphere.jpg

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre. Hier findet das Wettergeschehen statt. Am Äquator reicht sie bis ca. 17 km, an den Polen bis ca. 7 km hoch. Die Temperatur hier sinkt mit steigender Höhe. Die Temperaturuntergrenze kann sogar -75°C sein.

Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Troposphäre. Am unteren Teil der Stratosphäre befindet sich die Ozonschicht, die uns vor Ultravioletter (UV) Strahlung (und daher vor dem Tod) schützt. Da Ozon diese Strahlung (also Energie) absorbiert, steigt in der Stratosphäre die Temperatur mit der Höhe und erreicht ca. 0°C. Die Stratosphäre erreicht eine Höhe von ca. 50km.

Sternschnuppe

Die Mesosphäre ist die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre. Sie reicht eine Höhe von ca. 85km. Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in der Mesosphäre (Sternschnuppe). Hier sinkt die Temperatur wieder mit der Höhe bis zu ca. -90°C. Wegen Luftströmungen ist die Temperatur in dieser Schicht niedriger an der Erdhalbkugel, wo gerade Sommer ist.

Leuchtturm Akranes Iceland 2015 7001.jpg

Die Thermosphäre ist der nächste Höhenbereich der Erdatmosphäre, in dem ihre Temperatur erneut mit der Höhe (extrem) ansteigt und ca. 1100°C erreicht. Das liegt daran, dass hier wieder (für die Organismen tödliche) Strahlungen absorbiert werden. Viele Atome verlieren sogar manche Elektronen und werden dadurch zu sogenannten Ionen. Man sagt daher, dass diese Schicht (und weiter oben) ionisiert ist. In diesem Teil der Erdatmosphäre finden auch die Polarlichter statt.

Die Exosphäre stellt die äußerste Schicht der Erdatmosphäre dar. Sie markiert den fließenden Übergang zum interplanetarischen Raum. Hier sinkt die Temperatur wieder. Allerdings sind die Teilchen so schnell, dass sie das Gravitationfeld der Erde verlassen können.

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Die Ozonschicht[Bearbeiten]

Ozonloch in Antarktis 2009

In der Auflistung der Schichten der Erdatmosphäre haben wir die Ozonschicht als unteren Teil der Stratosphäre erwähnt. Ozon ist eine Sauerstoffverbindung mit drei Sauerstoffatome. Sauerstoff kommt in der Erdatmosphäre als atomarer Sauerstoff (O in den äußeren Schichten, manchmal sogar als Ion) und als Sauerstoffmolekül mit zwei Atome (O2) oder mit drei Atome (O3 , das ist Ozon). Ozon (O3) absorbiert einen großen Teil der Ultravioletten (UV) Strahlung, die stark krebserregend ist.

Im Jahr 1974 haben Wissenschaftler beobachtet, dass die Ozonschicht immer dünner wurde. Sie haben entdeckt, dass von Menschen produzierte Stoffen die Ursache war. Das hat zu einem globalen Verbot dieser Stoffe (FCKW genannt) im Montrealer Protokoll geführt, einem Höhepunkt der Umweltbewegung. Die Wissenschaftler (F. S. Rowland und M. Molina), die das „Ozonloch“ entdeckt und erforscht hatten, bekamen den Nobelpreis dafür.

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Der Treibhauseffekt[Bearbeiten]

Oft wird in den Medien erwähnt, dass der Treibhauseffekt immer stärker werde und das die Temperatur auf der Erde so steigt, dass bald das Leben schwer sein werde. Als Ursache des Phänomens werden CO2, Methan und andere von Menschen produzierte Stoffen erwähnt. Dadurch bekommt man den Eindruck, dass der Treibhauseffekt nicht gut für das Leben ist und dass er von Menschen verursacht wird. Das ist allerdings nur ein Teil der Wahrheit.

Greenhouse Effect

Zunächst beschreiben wir kurz den Effekt. Die Strahlen der Sonne werden von der Erdoberfläche teils absorbiert und teils reflektiert. Der reflektierte Teil verlässt aber doch nicht die Erdatmosphäre. Teil davon wird von der Atmosphäre absorbiert, teil wieder zur Erde reflektiert. Daher bleibt auf der Erde mehr Strahlung, also mehr Energie und Wärme, als wenn die Erde kein Atmosphäre hätte.

Wäre die Erde ohne Atmosphäre, wäre die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche -18°C. Heute ist sie ca. 14°C. Das Leben, wie es auf der Erde heutzutage ist, ist bei einer niedrigen Temperatur (- 18°C) nicht möglich. Der Treibhauseffekt ist daher für das Leben, wie wir es kennen, notwendig. Diesen Effekt gab es längst bevor Mensch auf der Erde erschienen ist.

Eine logische Folgerung ist daher, dass der Mensch nicht die Hauptursache des Effekts sein kann. Tatsächlich ist Wasserdampf die Hauptursache des Effekts und Wasserdampf gibt es ja auch ohne Menschen. Warum sprechen dann die Medien so oft über die verheerenden Konsequenzen des Treibhauseffektes? Sind das nur Lügen, wie manche ölproduzierende Firmen behaupten (die einige leichtgläubige Verschwörungstheoretiker damit überzeugen)?

Die Antwort ist eindeutig nein. Die Medien meinen den Treibhauseffekt, der von menschlichen Aktivitäten tatsächlich verursacht wird. Vor allem CO2 und auch Methan (CH4) tragen neben Wasserdampf zum Treibhauseffekt bei. Seit Anfang der industriellen Revolution ist der Anteil dieser Moleküle in der Erdatmosphäre durch die menschlichen Aktivitäten extrem gestiegen. Das führt zu eine Übertreibung des Treibhauseffektes. Die Temperatur soll schon höher als -18°C sein aber doch nicht zu hoch. Mit den menschlichen Aktivitäten wird sie aber doch zu hoch. Man kann nur hoffen, dass bald eine Lösung entdeckt wird.

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Klima und Wetter[Bearbeiten]

Unterschied zwischen Klima und Wetter[Bearbeiten]

Oft liest oder hört man in den Medien eine Wetterprognose. Das hilft beim planen der Arbeit oder der Urlaub und besonders die Agrarwirtschaft. Diese Prognose ist allerdings manchmal ungenau. Wenn aber das Klima beschrieben wird, ist die Prognose nicht ungenau. Was ist der Unterschied?

Die meteorologische Phänomene sind beispielsweise der Regen, der Sonnenschein, die Bewölkung, der Wind. Das Wetter beschreibt diese Phänomene in einem zeitlich und räumlich beschränkten Zusammenhang. Die Wetterprognose betrifft einen bestimmten Ort für höchstens 2 Wochen.

Klimazonen vereinfacht

Das Klima hingegen ist ein Durchschnitt. Es beschreibt die meteorologische Phänomene für einen Ort über mehrere Jahre als Durchschnittswerte. Man kann schon mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass das Wetter in einer bestimmten Region im Sommer allgemein trocken ist und im Winter regnerisch und in einer anderen im Sommer regnerisch und im Winter trockener und sehr kalt. Klima beschreibt wie das Wetter über die Jahren in einem Ort (z.B. in Island) ist.

Warum ist die Wetterprognose so schwierig? Das Wetter hängt von vielen Faktoren ab und ist ein chaotisches Phänomen, wie es in der Physik genannt wird. Das bedeutet, dass eine kleine Unsicherheit in den Anfangsbedingungen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Die Messgeräte aber können nie ganz genau sein. Daher ist eine genaue Prognose nicht möglich.

Beim Klima ist die Sache einfacher. Es soll klar sein, dass, wenn in einem Ort über Jahrzehnten nie im Sommer regnet und die Temperatur immer zwischen zwei Werten liegt (z.B. 25°C und 37°C), es schon zu erwarten ist, dass es im kommenden Sommer genauso sein wird. Man kann allerdings nicht sagen, am welchen Tag genau die Temperatur 25°C sein wird und wann 30°C. Das Wetter kann man nicht so leicht voraussagen.

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Merkmale des Wetters und des Klimas[Bearbeiten]

Das Wetter oder das Klima beschreiben vor allem folgende Phänomene: Die Temperatur (gemessen durch Thermometer immer im Schatten), den Luftdruck (Barometer), die Windstärke und -richtung (Anemometer), die Luftfeuchtigkeit (Hydrometer), den Niederschlag (Regenmesser) und Bewölkung (z.B. durch Radars).

Die Luft beinhaltet zwar vor allem Stick- und Sauerstoff, kann aber auch Wasserdampf aufnehmen. Das ist die Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit zeigt, welchen Anteil des gesamten Wasserdampfs, den die Luft bei einer gewissen Temperatur aufnehmen kann, die Luft tatsächlich beinhaltet. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Das kann man leicht feststellen. Wenn man im Winter ein kaltes Fenster haucht, entstehen am Fenster Wassertropfen. Die kalte Luft am Fenster kann nicht so viel Wasserdampf aufnehmen und der Wasserdampf unseres Atems kondensiert. Das ist genau der Grund, warum im Sommer in einem kalten Keller Feuchtigkeit (und Schimmel) entsteht.

Windsturm Emma

Die Luft, die über einen Ort steht, hat ein gewisses Gewicht und übt daher einen gewissen Druck. Je höher sich eine Person befindet, desto weniger ist die Luft über sie und daher auch der Druck. Der Druck auf einem Bergzipfel ist allgemein kleiner als auf dem Meeresspiegel. Allerdings lässt sich der Luftdruck stark von Luftströmungen beeinflussen.

Dass der Wind den Luftdruck beeinflussen kann, kann man leicht mit einem Experiment feststellen. Wenn eine Person zwischen zwei Aludosen pusten, bewegen sie sich zueinander. Der Luftdruck zwischen den Aludosen wird kleiner.

Im Wetter gilt, dass, wenn der Wind aufsteigt, der Luftdruck darunter kleiner wird. Wenn hingegen zu einem Ort Luft hinzugefügt wird, wird der Druck dort höher. In einer Wetterprognose kann man die Bewölkung, die Temperatur als auch die Windstärke und -richtung leicht ablesen. Bezeichnend für eine Wetterkarte sind jedoch die sogenannten Isobaren. Diese sind Kurven auf der Karte, die Orten mit dem gleichen Druck verbinden.

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Wetter- und Klimafaktoren[Bearbeiten]

Verschiedene Faktoren beeinflussen Klima und Wetter eines Ortes. Die wichtigsten sind die Sonnenstrahlung, die Land-Meer-Verteilung, die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und die Höhe des Ortes. Allerdings bleiben die menschlichen Aktivitäten nicht ohne Wirkung auf das Wetter und das Klima (z.B. Treibhauseffekt).

Temperaturfaktoren[Bearbeiten]

Je steiler der Einfallswinkel, desto kurzer der Weg, kleinere die Fläche und wärmer das Klima

Die Temperatur hängt vom Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung stark ab. Je steiler der Winkel ist, desto wärmer das Wetter. Wenn die Sonne direkt über einem Ort steht, wird es logischerweise wärmer.

Andererseits kann es doch kalt sein, auch wenn die Sonne direkt über dem Ort steht. Das kann an der Bewölkung oder an kalten Luftströmen liegen. Genauso kann es unter Einfluss eines warmen Luftstroms wärmer werden (Zusammensetzung der Erdatmosphäre).

Die Nähe zum Meer (Land-Meer-Verteilung) spielt eine entscheidende Rolle bei der Temperaturschwankungen des Klimas. Wenn ein Ort nah zum Meer ist, sind die Temperaturen milder, also nicht so heiß im Sommer und nicht so kalt im Winter. Das Wasser des Meeres ist im Sommer kühler und im Winter wärmer als die Luft. Das beeinflusst die Temperatur der Luft. Daher ist die Temperatur nicht so niedrig im Winter und nicht so hoch im Sommer, wie sie ohne Meer wäre (ozeanisches Klima). Im Landesinneren hingegen können die Temperaturen im Winter und im Sommer sehr unterscheiden (kontinentales Klima).

Isotherme Weltkarte

Die Höhenlage hat selbstverständlich auch einen starken Einfluss. Je höher sich ein Ort befindet, desto kälter wird es.

Die Vegetation trägt (Bodenbeschaffenheit) dazu bei, dass das Klima milder wird. Pflanzen mit ihrem Schatten und Abgabe von Luftfeuchtigkeit wirken ausgleichend. Kurven in einer Karte, die Orten mit der gleichen Temperatur verbinden, heißen „Isothermen“.

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Windfaktoren[Bearbeiten]

Die Sonne ist die treibende Kraft der Bewegung der Luft. Wenn die Luftmassen sich nach unten bewegen, ist der Luftdruck am unterliegenden Ort hoch (Hochdruck), bei einer Bewegung nach oben entsteht am entsprechenden Ort ein niedriger Druck (Tiefdruck).

Land-Seewind Zirkulation

Wie wir im Kapitel über die Anomalie des Wassers gelernt haben, dehnen sich Objekte bei steigender Temperatur aus. Dadurch wird ihre Dichte kleiner. Sachen mit kleinerer Dichte steigen in Fluiden auf. Aus diesem Grund steigt warme Luft auf, kalte Luft hingegen sinkt zum Boden.

In der Regel entstehen die Winde dadurch, dass die von der Sohne aufgewärmte Luft nach oben steigt. An der Stelle, wo die aufgewärmte Luft vorher war, kommen von den Seiten Luftmassen hin. Der Wind, der dadurch entsteht, wird nach der Richtung, woher er kommt genannt, z.B. Nordwind (aus dem Norden), Landwind (aus dem Land) usw.

Die Luft (und jedes Fluid) bewegt sich von hohem zu niedrigem Druck bis ein Druckausgleich stattfindet. Das bewirkt auch die Land-Seewind Zirkulation.

Das Wasser des Meers ändert seine Temperatur extrem langsam. Daher ist seine Temperatur auch bis zum Mitte des Winters immer noch nicht so tief und bis zum Mitte des Sommers nicht so hoch. Im Sommer wird bei starker Sonneneinstrahlung die Luft über dem Land schnell ziemlich warm. Sei steigt daher auf und an ihrer Stelle kommt die etwas kühlerer Luft aus dem Meer (Seewind). In der Nacht hingegen ist die Luft über dem Meer relativ wärmer, steigt auf und lässt sich von der Luft des Landes ersetzen (Landwind). Der Landwind ist allerdings in der Regel nicht so stark wie der Seewind.

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