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Lexikon der Biologie

Atmosphäre

Atmosphäre w [von griech. atmos = Dampf, sphaira = Kugel], allgemein: Gashülle eines Himmelskörpers (z. B. Planetenatmosphäre, Sternatmosphäre), i. e. S. die Lufthülle der Erde (Erdatmosphäre). Der Planet Erde steht mit seiner kosmischen Umgebung zum einen über gravitative Kräfte und zum anderen über den Austausch von elektromagnetischer Strahlung (elektromagnetisches Spektrum) sowie Partikelstrahlung (Korpuskularstrahlen) in Wechselwirkung. Der Energiehaushalt der Erdoberfläche wird hauptsächlich durch den Umsatz elektromagnetischer Strahlung bestimmt. Die Umwandlung der Sonnenenergie in andere Energieformen und die letztlich ins Weltall gerichtete irdische Infrarotstrahlung (Infrarot) treiben alle auf der Erde stattfindenden Prozesse an. Dabei kommt der gasförmigen Hülle der Erde eine zentrale Rolle zu. Sowohl die Energie, die der Erde durch die solare Strahlung zugeführt wird, als auch die Energie, die von der Erde als Infrarotstrahlung abgegeben wird, muß die Atmosphäre zum Teil oder ganz durchdringen. Dabei wird sie teilweise reflektiert, absorbiert oder auch emittiert (Energieflußdiagramm, Abb.). Auch über den Wärmetransport durch atmosphärische Zirkulation greift die Atmosphäre entscheidend in die energetischen Verhältnisse auf der Erde ein.
Stockwerkaufbau:Viele physikalische Eigenschaften der Atmosphäre ändern sich charakteristisch mit der Höhe und werden zur Einteilung der Atmosphäre in verschiedene vertikale Abschnitte ("Stockwerke") herangezogen. Aufgrund des Durchmischungsgrades der Luftbestandteile unterscheidet man zunächst die Heterosphäre (bis etwa 100 km Höhe) von der Homosphäre (oberhalb 100 km Höhe); die Grenze zwischen beiden wird auch Turbopause genannt. Wegen ihres hohen Ionisierungsgrades (Ionisation) wird die Atmosphäre oberhalb von etwa 70 km als Ionosphäre bezeichnet, die aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit von großer Bedeutung für die Ausbreitung von Radiowellen ist. Schließlich läßt sich die Atmosphäre anhand des vertikalen Temperaturverlaufs in verschiedene "Stockwerke" einteilen ( ä vgl. Abb. ). Die Höhe der unteren Atmosphärenschicht, der Troposphäre, ist von verschiedenen Faktoren (unter anderem der geographischen Breite) abhängig und beträgt zwischen 8 und etwa 18 km; in ihr spielt sich im wesentlichen das Wettergeschehen ab. Sie ist gekennzeichnet durch eine mit der Höhe abnehmende Temperatur und enthält etwa 80% der gesamten Atmosphärenmasse. Oberhalb eines Temperaturminimums (ca. –70 °C) in etwa 12 km Höhe, der Tropopause, befindet sich die Stratosphäre, die bis in etwa 50 km Höhe reicht. Sie weist eine mit der Höhe zunehmende Temperatur auf und beherbergt die Ozonschicht, deren Maximum in etwa 20 km Höhe liegt und die das irdische Leben vor der solaren UV-Strahlung (Ultraviolett) schützt. Die Stratosphäre wird nach oben von einem Temperaturmaximum, der Stratopause, begrenzt; es schließt sich bis etwa 80 km Höhe die Mesosphäre an. Oberhalb der Mesopause liegt die Thermosphäre, in der Temperaturen bis über 1000 °C auftreten. Die Thermosphäre geht in etwa 2000–3000 km Höhe in die Exosphäre, d. h. den interplanetaren Raum, über.
Chemische Zusammensetzung: Die heutige Erdatmosphäre besteht vor allem aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserdampf, Kohlendioxid sowie weiteren Spurengasen ( ä vgl. Tab. ) und unterscheidet sich vor allem durch den hohen Sauerstoffanteil grundlegend von allen derzeit bekannten Planetenatmosphären, insbesondere auch von denen der erdähnlichen Nachbarplaneten Venus und Mars. Die spezielle Entwicklung der Erdatmosphäre wird unter anderem dem Umstand zugeschrieben, daß die irdischen Temperaturen die dauerhafte Existenz von Wasser in seiner flüssigen Form zuließen. Die Evolution der Erdatmosphäre ist direkt an die Entwicklung der geologischen, biologischen und hydrologischen Verhältnisse auf der Erde gekoppelt. Während die Uratmosphäre hohe Anteile von Wasserstoff enthielt ( ä chemische und präbiologische Evolution ) und reduzierende Eigenschaften aufwies, war die Entstehung von Sauerstoff (O2) ein "Abfallprodukt" ersten bakteriellen Lebens (Leben). Schließlich erlaubte das aus O2 entstandene Ozon aufgrund seiner Absorption kurzwelligen Lichts (Ultraviolett) die Verlagerung des Lebensraums vom Wasser auf festes Land und ermöglichte die Evolution des Lebens bis zu seiner heutigen Form. Heute hat sich der Sauerstoff-Kohlendioxid-Stoffwechsel im Energiesystem Höherer Lebewesen durchgesetzt. In der Abb. ( ä vgl. Abb. ) ist die zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Sauerstoff- und Ozonkonzentration in Verbindung mit der Entwicklung des Lebens auf der Erde skizziert.
Die meisten Spurenstoffe treten in der Atmosphäre in räumlich und zeitlich stark variierenden Konzentrationen auf. Diese sind durch die Emissionsstärke (Emissionen), den atmosphärischen Transport sowie die Entfernungsrate aus der Atmosphäre bestimmt. Ein Prozeß, der maßgeblich zu der Entfernung vieler Spurenstoffe aus der Atmosphäre beiträgt, ist die Oxidation der Spurenstoffe durch das Hydroxylradikal (HO) zu wasserlöslichen Verbindungen und deren Auswaschung aus der Atmosphäre durch Niederschlag. Ohne diesen Selbstreinigungsprozeß der Atmosphäre würden sich viele (insbesondere auch anthropogen emittierte) Spurenstoffe in der Atmosphäre zu hohen, gesundheitsschädlichen Konzentrationen akkumulieren (Akkumulierung). – Eine weitere bedeutende Eigenschaft der Erdatmosphäre besteht darin, daß aufgrund ihrer Anteile an Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan sowie weiterer sog. Treibhausgase die von der Erde emittierte Infrarotstrahlung zum Teil in der Atmosphäre wieder absorbiert und zurückgestrahlt wird. Durch diesen sog. natürlichen Treibhauseffekt sind die Temperaturen auf der Erdoberfläche im Mittel um 33 °C erhöht und ermöglichen damit überhaupt erst die Existenz von flüssigem Wasser und damit von Leben in der uns bekannten Form.
Natürliche Variabilität atmosphärischer Eigenschaften: Die Eigenschaften der Erdatmosphäre unterlagen zu allen Zeiten Schwankungen, verursacht z. B. durch Vulkanausbrüche (Vulkanismus), die Veränderung der solaren Strahlungsintensität, die Kontinentalverschiebung (Kontinentaldrifttheorie), die Veränderung des Erdmagnetfeldes und die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Gleichwohl unterscheiden sich viele anthropogen verursachte Veränderungen nicht nur wegen ihrer Stärke, sondern insbesondere auch aufgrund ihres sehr viel rascheren Voranschreitens prinzipiell von natürlichen Schwankungen in der Vergangenheit. Eine Hauptfrage der heutigen Atmosphärenforschung ist daher, wie und wie stark sich atmosphärische Eigenschaften aufgrund der anthropogenen Einflüsse in der Zukunft verändern werden. Zur Klärung dieser Frage ist es wichtig, die anthropogenen Emissionen genau zu kennen sowie durch Modellrechnungen die Atmosphäre unter gegenwärtigen und veränderten Bedingungen möglichst exakt zu simulieren. Informationen über atmosphärische Eigenschaften in der Vergangenheit lassen sich aus der Analyse einer Vielzahl datierbarer historischer Proben gewinnen (Klimaarchive). Je nach Zeitraum und Fragestellung eignen sich hierfür Sedimentgesteine, Sedimentkerne der Ozeane und Binnenseen, Eisbohrkerne, Fossilien und Holzproben (Radiocarbonmethode, Dendrochronologie; Geochronologie). Mit modernen Analysemethoden (z. B. Uranreihendatierung, Massenspektrometrie, Elektronenspinresonanz, Thermolumineszenz) lassen sich unter anderem Informationen über die zeitliche Entwicklung der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre, der mittleren Windrichtungen sowie des Aerosolgehalts (Aerosol) gewinnen. Eine wichtige Rolle hierbei spielt die Tatsache, daß sich verschiedene Isotope von für die atmosphärischen Stoffkreisläufe wichtigen Elementen (insbesondere C, O, H und S) abhängig von den jeweiligen Umweltbedingungen unterschiedlich stark in den jeweiligen Klimaarchiven anlagern. Dadurch können durch Bestimmung der Isotopengehalte Rückschlüsse auf Umweltbedingungen und Klima früherer Erdzeitalter (Erdgeschichte) gezogen werden. Die Ergebnisse zeigen, daß viele atmosphärische Eigenschaften, wie z. B. Temperatur und Niederschlag, in der Vergangenheit großen Schwankungen unterlagen.
Anthropogene Einflüsse:Obgleich schon im alten China und während des Römischen Reiches durch landwirtschaftliche Aktivitäten wie Brandrodung und großflächige Waldabholzungen erhebliche menschliche Einflüsse auf die Atmosphäre ausgeübt wurden, blieben deren Auswirkungen doch im wesentlichen regional beschränkt. Erst seit Beginn der Industrialisierung während des 18. Jahrhunderts weiteten sich menschliche Einflüsse auf die Atmosphäre zunehmend auf globaler Ebene aus. Am Anfang standen dabei die Emissionen aufgrund der Stahlerzeugung und der Verbrennung von Kohle sowie der sich entwickelnden Landwirtschaft im Vordergrund. Hinzu kamen später vielfältige atmosphärische Schadstoffeinträge (Luftverschmutzung) aufgrund der Entwicklung der chemischen Industrie, des motorisierten Verkehrs sowie extensiver Landwirtschaft. Eine Besonderheit dieser anthropogenen Emissionen ist vor allem, daß die dadurch bedingten atmosphärischen Veränderungen in einer sehr viel kürzeren Zeitspanne erfolgten als dies von paläoklimatischen Schwankungen bekannt ist. Dies erschwert die Beurteilung möglicher Folgen, da atmosphärische Rückkopplungsprozesse mit verschiedenen Zeitkonstanten berücksichtigt werden müssen. Außerdem erfolgte vielfach die Emission von Substanzen, die keine natürlichen Quellen haben und deren Auswirkungen auf die Atmosphäre oftmals völlig unbekannt waren. Ein prominentes Beispiel hierfür ist die Emission von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs), die schließlich, weitab von ihren troposphärischen Quellen, zum Abbau der stratosphärischen Ozonschicht führten (Ozonloch). Der rasche Anstieg der anthropogen verursachten Emissionen von Kohlendioxid und Methan ist in der Abb. dargestellt ( ä vgl. Abb. ). Diese und weitere Emissionen führen zu einer zunehmenden Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts in der Atmosphäre. Als Folge davon ist mit einer Erwärmung der Atmosphäre zu rechnen, deren Ausmaß noch Gegenstand intensiver Forschungen ist, die jedoch vermutlich im Bereich von 1–5 °C in den nächsten 50–100 Jahren liegen dürfte. Anzeichen dafür sind bereits in der Entwicklung der mittleren atmosphärischen Temperaturen während der letzten 130 Jahre zu erkennen ( ä vgl. Abb. ). Weitere bedeutende Effekte, die auf die anthropogenen Emissionen zurückgehen, sind der troposphärische Smog (Winter-Smog durch Anreicherung von Schadstoffen, vor allem Stickoxiden, bei Inversions-Wetterlagen und Sommer-Smog durch photochemische Ozonproduktion in der unteren Troposphäre) und das stratosphärische Ozonloch, bei dem durch katalytische Ozonzerstörung der stratosphärische UV-Schutzschild zerstört wird. Aerobiologie, Atmosphärilien, Bezold (W. von), extraterrestrisches Leben, Feuchtigkeit, Gay-Lussac (J.L.), Humboldt (F.H.A. von), Klima, Klimaänderungen, Kohlenstoffkreislauf (Farbtafel), kosmische Strahlung, Luftverschmutzung, Meteorologie, Präkambrium, saurer Niederschlag, Schadstoffe, Stickstoffkreislauf (Farbtafel), Stoffkreisläufe, Strahlung, Transpiration, Verdunstung, Wasserkreislauf (Farbtafel), Wasserhaushalt (Farbtafel).

T.W.

Lit.: Brasseur, G., Solomon, S.: Aeronomy of the Middle Atmosphere. Dordrecht 1986. Crutzen, P.J. (Hrsg.): Atmosphäre, Klima, Umwelt. Heidelberg, Berlin 21996. Graedel, T.E., Crutzen, P.J.: Chemie der Atmosphäre. Heidelberg, Berlin 1994. Graedel, T.E., Crutzen, P.J.: Atmosphäre im Wandel. Heidelberg, Berlin 1996. Holland, H.D.: The Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans. Princeton 1984. Roedel, W.: Physik unserer Umwelt, die Atmosphäre. Berlin-Heidelberg-New York 21994. Röth, E.P.: Ozonloch, Ozonsmog, Grundlagen der Ozonchemie. Mannheim 1994. Wayne, R.P.: Chemistry of Atmospheres. Oxford 21991.

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Atmosphäre

Der Stockwerkaufbau der Atmosphäre

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Atmosphäre

Die Bildung von atmosphärischem Sauerstoff und Ozon im Verlauf der Erdgeschichte

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Atmosphäre

Anthropogen beeinflußter Anstieg des Mischungsverhältnisses der atmosphärischen Spurenstoffe a Kohlendioxid (gefüllte Kreise: Daten aus Eisbohrkernen, offene Kreise: in situ-Messungen), b Methan. Die Einheit ppmv (bzw. ppbv) bedeutet "parts per million (bzw. billion) volume", d. h., 1 ppmv ist 1 Volumenteil in 1 Million (ppm), 1 ppbv in 1 Milliarde (engl. billion = Milliarde).

ä




Atmosphäre

Entwicklung der mittleren atmosphärischen Temperaturen während der letzten 130 Jahre; die Veränderung ist bezogen auf den Mittelwert der Jahre 1951–1980.
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