Version 1.1 Einführung in die Physik der Atmosphäre

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Guido Vogel
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1 Version 1.1 MT Einführung in die Physik der Atmosphäre Inhalt: 1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre 2. Unterteilung der Atmosphäre 3. Der vertikale Aufbau der Atmosphäre 1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre (griechisch: atmos = Luft, Druck, Dampf, sfära = Kugel) Die Luft ist ein Gasgemisch mit den Hauptbestandteilen N 2, O 2, Ar, H 2 O und CO 2. Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist aber regional und zeitlich sehr variabel, deshalb gibt man die Zusammensetzung für trockene Luft (wasserdampffrei) an. In eckigen Klammern [] ist der Volumsanteil = Druckanteil, V i /V=p i /p angegeben. Stickstoff (N 2 ) [0,7808] Sauerstoff (O 2 ) [0,2095] Argon (Ar) [0,0093] Kohlendioxid (CO 2 ) [0,0004] Trockene Luft [1,0] Neon (Ne) [1, ] Helium (He) [5, ] Methan (CH 4 ) [1, ] Krypton (Kr) [1, ] Wasserstoff (H) [5, ] Stickoxydul (N 2 O) [3, ] Kohlenmonoxid (CO) [9, ] Xenon (Xe) [8, ] Ozon (O 3 ) [4, ] 2. Unterteilung der Atmosphäre Die erste grobe Unterteilung der Atmosphäre ist in ungefähr 85 km Höhe. Die Grenze wird Turbopause oder Homopause genannt. Den unteren Teil vom Meeresniveau bis zur Turbopause nennt man Homosphäre (griechisch: homoios = gleichartig), den oberen Teil nennt man Heterosphäre (griechisch: heteros = verschieden). Der Unterschied von Homosphäre und Heterosphäre besteht hauptsächlich in der Durchmischung der Atome und Moleküle. In der Homosphäre ist die Durchmischung gleichmäßig, unabhängig von den Atom- und Molekülmassen. In der Heterosphäre kommt es aber durch den geringen Druck (lange freie Weglänge der Teilchen) zu einer Schichtung der Atome und Moleküle. Die schweren Moleküle (Stickstoff, Sauerstoff) sinken nach unten, während die leichten (Wasserstoff, Helium) nach oben steigen. So ändert sich die Zusammensetzung der Heterosphäre mit der Höhe. Unterhalb der Turbopause bleibt die Zusammensetzung jedoch fast konstant. In der Homosphäre befinden sich 99,9 % aller Gasteilchen der Atmosphäre.

2 Die Höhe von 100 km wird offiziell von der FAI (Fédération Aéronautique Internationale) als Grenze zum Weltraum betrachtet, weil dort sehr ähnliche Verhältnisse herrschen (T~ -90 C, p~ 0,001 HPa). Nach Betrachtung der NASA beginnt der Weltraum schon bei einer Höhe von 50 Meilen (~ 80 km). 3. Der vertikale Aufbau der Atmosphäre Der Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Höhe ist so charakteristisch, dass er zur Grundlage für die Namensgebung der einzelnen Schichten geworden ist. Die verschiedenen Temperaturen in den einzelnen Schichten spiegeln verschiedene physikalische Prozesse wieder. Troposphäre (griechisch, trepein = wenden, umkehren)

3 1. Von 0 bis ungefähr 12 km Höhe reichend. 2. sehr starke Durchmischung 3. Wolkenbildung, fast das gesamte sichtbare Wettergeschehen spielt sich hier ab 4. Temperaturabnahme von 0,65 /100 m 5. Hier spielt sich die Strahlungsabsorption und Emission an der Erdoberfläche ab Tropopause (griechisch, pauein = aufhören) 1. Von ca km Höhe 2. Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre 3. die Temperatur in der Tropopause bleibt mit der Höhe ziemlich konstant 4. Austausch der Luftschichten 5. Ablauf von Strahlungsprozessen Stratosphäre (Lateinisch, stratus = geschichtet) 1. Von ca km Höhe 2. wieder steigender Temperaturverlauf bis um die 0 C 3. Sehr geringer Wassergehalt 4. fast keine Wolkenbildung (außer sog. Perlmutterwolken) 5. Allerdings sehr starker Einfluss auf das Wettergeschehen in der Troposphäre 6. sehr hoher Ozongehalt, Konzentration schwankt mit Einstrahlung Stratopause 1. in ungefähr 50 km Höhe 2. Temperaturmaximum von durchschnittlich -3 C (-12 C im Winter, +12 C im Sommer), verursacht durch Strahlungsabsorption des Ozons Mesosphäre (griechisch: messi = Mitte) 1. reicht ungefähr bis 85 km Höhe 2. der Temperaturverlauf ist wieder absteigend Mesopause 1. in ungefähr 85km Höhe 2. obere Grenze der Homosphäre Turbopause Grenze zwischen Homosphäre und Heterosphäre

4 Heterosphäre > 85 km Turbopause Homosphäre < 85 km Thermosphäre, (Ionosphäre) (griechisch: thermos = warm, heiß) 1. erstreckt sich von km Höhe 2. die Temperatur steigt bis auf 1000 K (727 C) in 400 km Höhe und bleibt dann etwa konstant 3. Die Gase sind hier dissoziiert (zerlegt und teilweise ionisiert) durch Absorption von Strahlung aus dem Weltraum 4. Durch Ionenbildung ist die Thermosphäre elektrisch leitend (Reflexion von Radiowellen) 5. Starke Temperaturschwankungen durch die Tagesbedingte Strahlenabsorption und durch die geringe Dichte, bis Gase sind entmischt entsprechend ihren Molmassen. Wenig Durchmischung wegen der großen freien Weglängen durch die geringe Dichte. Nur die Diffusion wirkt entgegen, es stellt sich das Diffusionsgleichgewicht ein. 7. Vorkommen von den so genannten leuchtende Nachtwolken. Bestehen aus Eiskristallen mit Kernen aus Meteoritenstaub (als Sublimationskerne). Sehr selten, nur im Sommer in polaren Breiten. Ionosphärenschichten Die Ionosphäre enthält große Mengen Ionen und freie Elektronen. Die Verteilung und Dichte dieser Ladungsträger unterliegt einer starken tageszeitlichen Schwankung und der Sonnenaktivität. Daraus resultiert eine Schichtstruktur: D-Schicht (ca 70km - 90km). Nur tagsüber vorhanden. In der D-Schicht wird NO durch Röntgenstrahlung und N 2 und O 2 durch harte Röntgenstrahlung bei hoher Sonnenaktivität ionisiert. Durch die relativ hohe Dichte der Teilchen in diesem Bereich und die daraus resultierende kleine freie Weglänge erfolgt durch Rekombination der Ladungsträger sehr schnell der Abbau der D-Schicht nach Sonnenuntergang. Durch die unzähligen Stöße der Ladungsträger bewirkt die D-Schicht eine sehr starke Dämpfung von Radiowellen < 10 MHz. E-Schicht (ca 110km 130km) Nur tagsüber vorhanden Die Ionisation erfolgt durch weiche Röntgenstrahlung von O, O 2,N 2. Auch hier kommt es aus den selben Gründen wie bei der D-Schicht zu einer Dämpfung von Radiowellen, wenn auch nicht so stark (weniger Teilchen -> weniger Stöße). Einige Stunden nach Sonnenuntergang ist die E-Schicht dann komplett verschwunden. Die Rekombination der Ladungsträger geht langsamer als in der D-Schicht vor sich, weil die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger größer ist.

5 Exosphäre (griechisch: exo = außen, draußen, außerhalb) 1. Höhe > 800 km 2. schnelle, ungeladene Teilchen können die Erdanziehung überwinden und in den Weltraum entweichen 3. Viele der Teilchen liegen jedoch als Ionen vor und werden deshalb vom magnetischen Feld der Erde festgehalten Magnetosphäre Als Magnetosphäre bezeichnet man das Raumgebiet um die Erde, in dem das Magnetfeld der Erde dominiert. Ihre Struktur wird durch das Magnetfeld der Erde und die Wechselwirkungen zwischen diesem Magnetfeld und der kosmischen Partikelstrahlung (Sonnenwind) bestimmt. Bewegt sich ein geladenes Partikel (Sonnenwindteilchen sind geladen) in einem Magnetfeld so erfährt das Partikel eine Ablenkung.

6 Im Bild sieht man deutlich die Deformation des Magnetfeldes durch den Sonnenwind. An den Polen kann es zum Eindringen von Kosmischen Teilchen in die tiefe Atmosphäre bis hin zum Erreichen der Erdoberfläche kommen. Der Grund dafür sind Zusammenstöße mit nicht geladenen Partikeln, deren Anzahl in den Polregionen besonders hoch ist. Magnetopause 1. Höhe ungefähr Erdradien (~ km) 2. Ende des Einflusses des Erdmagnetfeldes auf die Teilchenbewegung 3. Offizielles oberes Ende der Atmosphäre Darüber folgt das Gebiet des solaren Windes. Das sind bewegte Teilchen aus der Sonne, schnelle Protonen und Neutronen, welche aus der Sonnenkorona stammen.

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