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Die Schichten der Atmosphre

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Der Aufbau der Atmosphre

Die gesamte Luftmasse der Erdatmosphre betrgt nur ca. ein Dreihundertstel der Wassermasse aller Ozeane bzw. ca. ein Millionstel der Erdmasse. Die Schichtdicke der Atmosphre bis zur Obergrenze der Stratosphre in 50 km Hhe (Stratopause) betrgt weniger als 1 % des Erdradius (6.378 km). Der Luftdruck betrgt dort nur noch rund ein Zweitausendstel des Druckes auf der Erdoberflche (etwa 2 hPa). Mit zunehmender Hhe nimmt der Luftdruck und damit auch die Dichte der Atmosphre weiter stetig ab, bis sie oberhalb von ca. 1.000 km flieend in den Weltraum bergeht.

Die Lufthlle (blau) ist im Vergleich zur Gr秤e der Erde relativ dnn.

Grobild

Das Vorhandensein der Lufthlle der Erde beruht darauf, dass ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft (Gravitation) und den Eigenbewegungen der Molekle bzw. Atome besteht. Die Gravitation hlt, wie alle Massen, auch die Gase an der Erde fest. Infolge der Eigenbewegungen der Gasteilchen wrden sie sich sonst durch Diffusion rasch in den Weltraum verflchtigen. Wegen seiner geringeren Masse drfte der Mars dieses Schicksal erlitten haben. Anders als Gasmolekle mit groen Massen erreichen aber Gasmolekle mit kleinen Massen bei geringen Drcken - wie sie oberhalb der Thermosphre herrschen - und gleicher Temperatur hhere Geschwindigkeiten und haben deshalb gleichwohl eine gr秤ere Wahrscheinlichkeit, gegen die Erdanziehung in den Weltraum zu entweichen.

Der Druck nimmt bei konstanter Temperatur alle 5,5 km auf jeweils etwa die Hlfte seines vorherigen Wertes ab. In 18 km Hhe betrgt der Luftdruck nur noch ein Zehntel, in 55 km ein Tausendstel und in 110 km nur noch ein Millionstel des Bodenwertes.

Da Luft zudem stark komprimierbar ist, finden sich mehr als 50 % der Gesamtatmosphre unterhalb von ca. 5,5 km. In Hhe der Stratopause betrgt der Luftdruck nur noch ein Tausendstel seines Werts auf Meereshhe. 99,9 % der gesamten Atmosphre befinden sich unterhalb dieser Hhe.

In der Exosphre, wird die Dichte extrem gering. Luftdruck und Dichte sind einander proportional. Gasteilchen, genau genommen nur die leichtesten Gase Wasserstoff und Helium, knnen nun aufgrund ihrer hohen Bewegungsenergie und ihrer geringen Masse aus dem Schwerefeld der Erde entweichen.

Luftdruck und Luftdichte

In einer Hhe von 3.600 km ist die Atmosphre schlielich so dnn, dass die ber dem 훢uator befindlichen geostationren Satelliten jahrelang praktisch reibungsfrei ohne Bahnkorrektur bleiben knnen.

 

Temperaturnderung der Atmosphre
mit zunehmender Hhe

Die "Stockwerke" der Atmosphre

In der Atmosphre herrscht neben der bekannten horizontalen Temperaturverteilung (am 훢uator herrscht eine hhere Temperatur als an den Polen) auch eine ausgeprgte vertikale Temperaturverteilung, die durch miteinander gekoppelte physikalische und chemische Prozesse bestimmt wird und die fr den Transport der Luft und ihrer Bestandteile von groer Bedeutung ist. Die Atmosphre kann aufgrund jeweils unterschiedlicher Eigenschaften und Vorgnge in 5 unterschiedliche Schichten unterteilt werden.
blich sind Einteilungen gem癌

  • des Temperaturverlaufs
  • der chemischen Zusammensetzung der Luft in Homosphre und Heterosphre und
  • des Ionisierungsgrads der Gasteilchen in Neutrosphre und Ionosphre.


In der Meteorologie spielen eigentlich nur die ersten beiden Punkte eine Rolle.

Die Temperatur zeigt einen charakteristischen Verlauf mit zunehmender Hhe, der berall auf der Erde gleich ist. Entsprechend ihres positiven oder negativen Temperaturgradienten wird die Atmosphre in 5 Schichten ("Stockwerke") mit folgenden mittleren Hhen unterteilt:

1.

Troposphre

0 bis 12 km

2.

Stratosphre

12 bis 50 km

3.

Mesosphre

50 bis 85 km

4.

Thermosphre

85 bis 400 km

5.

Exosphre

ber 400 km

Die Exosphre bildet den bergang in den Weltraum. Sie wird teilweise nicht als eigene Schicht gezhlt.

Oberhalb der Tropo- und Mesopause liegt wrmere ber klterer Luft, wie es gelegentlich auch am Boden bei Inversionswetterlagen zu beobachten ist. Dabei wird der Austausch zwischen warmer Bodenluft und kalter Luft darber stark erschwert. In der Troposphre khlt sich aufsteigende Luft stark ab (um 6,5 캜 auf 1.000 m) und kann dann - stark vereinfacht dargestellt - nicht in die darber liegende wrmere Stratosphre weiter aufsteigen.

Schichten der Atmosphre

Die aus den Abbildungen oben und links ersichtlichen Wendepunkte des vertikalen Temperaturverlaufs werden in aufsteigender Reihenfolge als

  • Tropopause
  • Stratopause
  • Mesopause

bezeichnet. Die einzelnen Schichten werden auf diese Weise jeweils von einer "Pause" begrenzt.

Vertikales Temperaturprofil und Schichtung der Atmospre vergr秤ern

 

Die vertikale Zusammensetzung der Atmosphre

Die prozentuale Zusammensetzung der Atmosphre aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Edelgasen ist in den unteren Schichten infolge der Durchmischung durch horizontale und vertikale Luftbewegungen nahezu gleichfrmig (Homosphre). In der Homosphre befindet sich die berwiegende Masse der Atmosphre, nmlich ca. 100 000 mal so viel wie in dem gesamten darber liegenden Teil der Gashlle.

In der darber liegenden Heterosphre beginnt die Aufteilung der Gase aufgrund ihrer unterschiedlichen molaren Massen. Mit zunehmender Hhe bleiben schlielich nur noch die leichtesten Gase, Wasserstoff und Helium, brig. In der Exosphre knnen Wasserstoff und Helium aufgrund ihrer hohen mittleren Bewegungsenergie und ihrer geringen Masse schlielich aus dem Schwerefeld der Erde entweichen.

Fr das Leben auf der Erde ist vor allem die Troposphre wichtig.

 

Zusammenfassung

 

Hhe (km)

Temperatur (캜)

Bemerkungen

Troposphre
Tropopause

0 - 11 [8-17]

15 →  - 56,5

Grenzschicht (~ 1 km) + Konvektionsraum
= Grundschicht (~ 3 km)

Stratosphre
Stratopause

11 - 35
37 - 50

- 56,5 Isothermie
→ + 50

Kein Wasserdampf vorhanden
Ozonschicht: 20 - 50 km

Mesosphre

50 - 80

→ -90

hohe Windgeschwindigkeiten

Thermosphre

80 - 800

→ +1500

 

Exosphre

800 - 3000

→ - 273 (Weltraum)

 

Ionosphre

D-Schicht
E-Schicht
F1-Schicht
F2-Schicht

 

50 - 80
90 - 150
170 - 220
250 - 450

 

Durch UV werden Elektronen abgespalten

E: reflektiert sporadisch im UKW-Bereich
(E), F1, F2: reflektieren im HF-Bereich

 

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