Die Luft, die wir atmen

Die Lufthülle unserer Erde

Die Lufthülleder Erde, die „Atmosphäre“ (von griechisch: atmos = Dampf, Dunst und sphaira = Kugel) stellt einen kosmischen Sonderfall dar, wie der Vergleich ihrer chemischen Zusammensetzung mit den Zusammensetzungen der von Raumsonden erkundeten Gashüllen unserer Nachbarplaneten Venus und Mars zeigt.

Die Gashüllen der beiden Planeten bestehen hauptsächlich aus Kohlendioxid; dagegen setzt sich die Erdatmosphäre zu 99% aus Stickstoff und Sauerstoff zusammen. Ihr Gehalt an Kohlendioxid (CO₂ )beträgt nur 0,33%. Der Druck der Luft beträgt in Meeresspiegelnähe 1013hPa oder, in 10 km Höhe 280, in 30 km Höhe 12,7, in 80 km Höhe 0,015 und in 220 km Höhe nur noch 0,00000019 hPa. Schon in der dünnen Luft, wie sie in 8 km Höhe vorliegt, ist menschliches Leben, wegen akutem Sauerstoffmangel auf Dauer nicht möglich.

Die Lufthülle hat die  unvorstellbar große Masse von 5 100 000 000 000 000t-(das sind 5100 Billiarden Tonnen); damit bildet sie eine nahezu unerschöpfliche, leicht zugängliche Vorratskammer für die atmophilen Elemente in Form der verschiedenen Gase; so enthält sie (in 10¹² t) 3800 Stickstoff (N₂), 1180 Sauerstoff (O₂), 65,5 Argon (Ar), 2,33 Kohlendioxid (CO₂) und weitere Edelgase.

Die mittlere Oberflächentemperatur der Erde beträgt 288 K (15°C), etwa 35°C höher, als es ohne  Atmosphäre der Fall wäre. Diese Temperatur kommt durch den natürlichen Treibhauseffekt zustande; die  Atmosphäre eines Planeten wirkt wie eine Decke, die hilft, Wärme zu speichern; dieser Vorgang gleicht in mancher Hinsicht der Wirkung eines Treibhauses. Über die anthropogene Verstärkung dieses  Treibhauseffektes durch die infolge des stark angestiegenen Verbrauchs fossiler Brennstoffe und den Raubbau an tropischen Wäldern steigende Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre wird in Gelehrten-  und Politikerkreisen lebhaft diskutiert. Dabei ist der Streit, ob die Menschen Urheber der Erwärmung oder ob diese durch natürliche Vorgänge hervorgerufen wird, noch lange nicht entschieden.Belegt ist der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration seit einem Jahrhundert und die gleichlaufend ansteigende Oberflächentemperatur der Erde. Die eindeutige Abhängigkeit des Temperaturanstiegs von der  Kohlendioxidkonzentration in der Luft kann wegen der gleichzeitigen Einwirkung weiterer meteorologischer Faktoren auf den Wärmehaushalt der Erde nicht eindeutig nachgewiesen werden.Schon der noch nicht vollständig aufgeklärte Kohlenstoff-Kreislauf der Erde und seinen Einfluss, dabei besonders den der Ozeane, auf die in der Atmosphäre verbleibende Menge an CO₂, lassen eine endgültige Entscheidung nicht zu.

Die Atmosphäre liegt in Schichten um den Erdkörper. Der Übergang von einer in die andere Schicht wird  durch die Umkehr der Temperatur angezeigt, diese Erscheinung bezeichnet die Meteorologie mit Temperaturinversion. Die Troposphäre ist die untere Schicht, sie dehnt sich bis in eine Höhe von etwa 12  km aus und endet mit der Tropopause, dem Bereich in dem die Temperaturen wieder zunehmen. Sie enthält den größten Teil des atmosphärischen Wasserdampfs und Wolken. In ihr spielt sich auch das Wetter ab.

Darüber befindet sich die Stratosphäre, die sich bis auf 50 km Höhe ausdehnt und von der Stratopause abgeschlossen wird. Sie enthält die für das Leben auf der Erde wichtige, weil vor kurzwelliger UV-Strahlung schützende Ozon-Schicht, deren Gefährdung durch die Verwendung von Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffen  (CFKW) - z. B. als Treibgas in Sprays oder als Kältemittel zunehmend erkannt wird.

In 50-85 km Höhe erstreckt sich die Mesosphäre. Die verdünnten Gase der anschließenden Thermosphäre werden durch das Sonnenlicht auf Werte von ca. 1200 K (927°C) bei Tag und 800 K (527°C) bei Nacht erwärmt. Die Wärmemenge ist aber wegen der geringen Gasmasse äußerst klein. In etwa 500 km Höhe verschmilzt diese Schicht mit der Exosphäre, aus der leichte Atome wie Wasserstoff entweichen können. Oberhalb 100 km sind die Gase teilweise, oberhalb 300-400 km vollständig ionisiert. Man spricht dann von Gasplasma. In Höhen oberhalb von etwa 70 km werden durch die UV- und Röntgenstrahlung der Sonne Elektronen aus einer Anzahl von Atomen herausgeschlagen. Dadurch entstehen vier leitende Schichten aus Elektronen und positiv geladenen Ionen, man spricht deshalb auch von der Ionosphäre. Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen der Ionosphäre mit Elektronen des Sonnenwindes (s. u.) lassen einen gewaltigen Generator entstehen, der die Polarlichter erzeugt, das sind Leuchterscheinungen, die vor allem in Polargebieten nachts beobachtet werden. Bei gestörtem Erdmagnetfeld sind die Polarlichter auch bis in den Mittelmeerraum sichtbar. Die Erscheinung der Polarlichter hat die Menschen seit jeher fasziniert. Daher liegen sehr alte Aufzeichnungen über das Auftreten vor, aufgrund derer sich die Wanderung der Magnetpole der Erde rekonstruieren lassen.

Man hatte lange angenommen, dass das - im  äußeren Kern erzeugte Erdmagnetfeld im wesentlichen ein Dipolfeld sei wie das eines Stabmagneten, bei dem die Feldlinien sich symmetrisch zur Erdfeldachse vom Süd- zum  Nordpol krümmen. Die Erde befindet sich aber nicht in einem Vakuum, sondern wird vom Sonnenwind umspült, einem verdünnten Plasma aus Wasserstoff-Ionen (also Protonen) und Elektronen, die der Sonnenkorona entströmen. Der Sonnenwind engt das Erdmagnetfeld auf ein kometenförmiges Volumen, die Magnetosphäre, ein. Auf der der Sonne zugewandten Seite komprimiert er die Magnetosphäre auf etwa 10 Erdradien, auf der abgewandten Seite längt er sie zu einem Schweif von mehr als 1000 Erdradien aus. Die Magnetosphäre ist mit verdünnten  Plasmen unterschiedlicher Dichte und Temperatur gefüllt.

Durch die Lufthülle gelangen jährlich die Riesenmenge von 14 Mio. t kosmischen Staubes auf die  Erdoberfläche, das sind etwa 500 000 Lastzüge oder auch eine Lastzugkette von 10 000 km Länge. Dieser bildet zunächst mit dem Staub aus anthropogenen und vulkanischen Quellen mehrere Schichten bis in 70 km Höhe. Wenn bei starken Vulkanausbrüchen die in die Atmosphäre geschleuderte Materie und die Gase bis in die Stratosphäre hinausgelangen, verstärken sie die natürliche Aerosol-Schicht, die sich in 20-25 km Höhe befindet; zu den Aerosolen und Stäuben in der Atmosphäre sowie zum Problem des sauren Regens siehe den Abschnitt „Aerosole und ihre Auswirkungen in der Atmosphäre“. Vulkanische Staubwolken, wie sie z. B. beim Ausbruch des mexikanischen Vulkans El Chichòn am 4. April 1982 in die Atmosphäre gelangten, können das Klima der Erde merklich beeinflussen.

Die Atmosphäre spielt eine wichtige Rolle im Kreislauf der Stoffe und prägt in Wechselwirkung mit den  Ozeanen Klima und Wetter auf der Erde. In den vergangenen zwanzig Jahren hat die Erforschung der Lufthülle der Erde mit der Perfektionierung der Analytik und der Satelliten-, Raumstationen- und Radartechnik einen erheblichen Aufschwung genommen; die Wissenschaft von der oberen Atmosphäre wird als Aeronomie bezeichnet.

In ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheidet sich die heutige Atmosphäre deutlich von der Uratmosphäre. Ihre Geschichte hängt eng mit der Entstehungsgeschichte der Erde zusammen. Nach den heutigen Vorstellungen bildeten sich die Planeten durch lokale Zusammenballungen (Accretion) auf kaltem Wege aus einem Gas- und Staubnebel. Derartige Ideen wurden bereits in der zweiten Hälfte des 18.  Jahrhunderts von den beiden Philosophen Kant und Laplace entwickelt. Zwei Theorien sind entwickelt worden, um die Saigerung der Erde in einen eisenhaltigen Kern und eine aus Mantel und Kruste bestehende Silicatschale zu erklären.

A) Die Vorstellung der homogenen Accretion läßt die Erde aus einheitlich zusammengesetzten  Planetesimalen kleine Feststoff-Teilchen mit der Zusammensetzung chondritischer Meteorite, aus eisenhaltigem und silicatischem Material bestehend, entstehen. Der Kern entstand dann dadurch, dass das schwere Eisen durch die Schwerkraft zum Erdmittelpunkt sank und sich so von den leichteren Silicaten absetzte. Dabei wären enorme Energien freigesetzt worden - genug, um den Kern zu schmelzen.

B) Das Modell der inhomogenen (heterogenen) Accretion geht davon aus, dass bereits bei der  Zusammenballung unseres Planeten der Erdkern aus eisenreichen Planetesimalen aufgebaut wurde und anschließend durch silicatreiche Gesteinsbrocken ummantelt wurde. Diese Urerde heizte sich während der  folgenden etwa 100 Millionen Jahre durch Umwandlung von Gravitations- in Wärmeenergie, durch den wärmeerzeugenden radioaktiven Zerfall unbeständiger Elemente wie Uran und. Thorium und die beim  Aufprall einschlagender Gesteinsbrocken freiwerdende Energie soweit auf, dass sie zumindest teilweise aufzuschmelzen begann. Später lagerte sich auf dem Urplaneten kosmischer Staub ab, der sich zu dem heutigen oberen Erdmantel verdichtete, aus dem sich später die Erdkruste absonderte. Dieser Staub stammte aus bereits abgekühlter Materie des Sonnensystems und enthielt daher bereits Eisen, das durch  Reaktionen mit anderen Elementen vom metallischen in den zweiwertigen Zustand, in Eisen-II-ionen (Fe⁺⁺), übergegangen war. Durch Ausgasung des oberen Erdmantels entstand schließlich die Uratmosphäre  der Erde. Sie hat entgegen früheren Annahmen wohl nicht aus Methan (CH₄) und Ammoniak (NH₃) - beide  Gase sind in Gegenwart von zweiwertigem Eisen chemisch nicht stabil, sondern im wesentlichen aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff sowie einigen Spurengasen (Schwefelwasserstoff,  Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Ammoniak und Edelgase) bestanden; sie enthielt noch keinen Sauerstoff.

Das Alter der Erde wird heute mit 4,5 Milliarden Jahren angenommen. Die ältesten bislang auf der Erde entdeckten Gesteine stehen im Westen Grönlands an, ihr Alter beträgt 3,8 Milliarden Jahre; sie leiten sich z.T. bereits aus anderen Gesteinen ab. Aus dem ersten  Auftreten von Kalkgesteinen mit Stromatolithen (kalkige Laminarstrukturen, die als fossile Algen interpretiert werden) und von gebänderten Eisensteinen (mit Hämatit Fe₂O₃)  kann man schließen, dass vor vermutlich rund 3,4 Milliarden Jahren die ersten Sauerstoff-produzierenden Cyanobakterien (Blaualgen) im Meer existierten. Diese Organismen verbrauchten  einen Teil des ins Meer gelangenden Kohlendioxids, um daraus unter Verwendung von Wasser und mit Hilfe des Sonnenlichts organische Substanzen zu synthetisieren. Der bei diesem Prozeß der Photosynthese freiwerdende Sauerstoff überführte das damals im Meer gelöste zweiwertige Eisen in das schwerlösliche  Eisendreioxid (Fe₂O₃), aus dem die gebänderten Eisensteine hervorgingen. Erst vor rund 2 Milliarden Jahren  gelangte Sauerstoff in die Atmosphäre, wie kontinentale Rotsedimente beweisen vor 350 Mio. Jahren dürfte im Verlauf der weiteren Evolution die heutige Sauerstoff-Konzentration in der Atmosphäre vorgelegen  haben, da die Entwicklung des Lebens seitdem ziemlich stetig verlief.