Atmosphäre

Aufbau

Aufbau der Atmosphäre
(schematisch)

(griech.) für die im Schwerefeld der Erde festgehaltene, etwa 2 000...3 000 km mächtige Lufthülle; ein Gemisch von Gasen; mittlere Zusammensetzung in Bodennähe (in Raumteilen für staubfreie Luft): 78,08% Stickstoff, 20,95% Sauerstoff, 0,93% Argon, 0,03% Kohlendioxid, 0,01 % Edelgase, Wasserstoff, Ammoniak, Jod, Ozon, Wasserstoffsuperoxid; Wasserdampf stark wechselnd (0...4Vol.%). Die Atmosphäre ist in Abhängigkeit von der Temperaturschichtung in Stockwerke eingeteilt.

Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

Schichtung

Die Atmosphäre weist eine Masse von etwa 5,15 · 10¹⁸ kg auf (5,15 Billiarden Tonnen), also knapp ein Millionstel der Erdmasse. Sie besteht hinsichtlich ihres vertikalen Temperaturverlaufs, insbesondere dessen Gradienten, aus mehreren Schichten:

Troposphäre von der Erdoberfläche bis zur Tropopause in Höhen zwischen 7 km (Polargebiete) und 17 km (Tropen)
Stratosphäre bis zur Stratopause in 50 km Höhe
Mesosphäre bis zur Mesopause in 80 bis 85 km Höhe
Thermosphäre (siehe auch unten, Ionosphäre)
Exosphäre darüber.

Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre bezeichnet, Stratosphäre und Mesosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und die Thermosphäre als obere Atmosphäre.

Vor allem in der Troposphäre – der Wettersphäre – zeigt sich eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung und des Gehalts an Wasserdampf, weshalb dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt. Außer nach dem Temperaturverlauf lässt sich die Lufthülle auch nach anderen Gesichtspunkten einteilen:

Nach dem aerodynamischen Zustand

Nach dem Durchmischungsgrad

Nach dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre

Ionosphäre (ionisierte Gase, in der Thermosphäre eingelagert, > 80 km)

Nach chemischen Gesichtspunkten lassen sich außerdem die Ozonosphäre (Ozonschicht in 16–50 km Höhe) und eine Chemosphäre (20–600 km) abgrenzen.

Die unterste Schicht, die Troposphäre, in der sich hauptsächlich die Wettererscheinungen abspielen, ist gekennzeichnet durch Temperaturabnahme mit der Höhe. An ihrer Obergrenze liegen die Temperaturen zwischen -40 und -70 Grad Celsius. In der Troposphäre liegt die Grund- oder Reibungsschicht, deren obere Begrenzung (Peplopause) in etwa 1 500 m Höhe häufig durch Inversionen gebildet wird.
Die Obergrenze der Troposphäre, die man als Tropopause bezeichnet, unterliegt Schwankungen; im Mittel befindet sie sich an den Polen in 9 km Höhe und am Äquator in etwa 17 km Höhe. An die Tropopause schließt sich eine isotherme Schicht (untere Stratosphäre) bis in etwa 35 km Höhe an, der dann bis in 50 km Höhe die obere Stratosphäre mit Temperaturzunahme folgt (größte Ozonkonzentration).
Von der Obergrenze der Stratosphäre an, der Stratopause, nimmt die Temperatur bis zu etwa 80 km wieder stark mit der Höhe ab. Diese Schicht wird als Mesosphäre, ihre Obergrenze als Mesopause bezeichnet.
Oberhalb der Mesopause befindet sich - gekennzeichnet durch Temperaturzunahme mit der Höhe - die Thermosphäre, die bis zur Obergrenze der Atmosphäre reicht. Der allmähliche Übergang zum interstellaren Raum wird als Exosphäre bezeichnet.

In Höhen von 60 bis 80 km an aufwärts findet eine Ionisierung der Luftmoleküle statt; diese Schichten werden daher auch als Ionosphäre bezeichnet. Ionisationsmaxima liegen zwischen 60 und 100 km (D-Gebiet aus mehreren Schichten), 100 und 150 km Höhe (E- oder Heavisideschicht) sowie zwischen 200 und 400 km Höhe (F-Schicht).
Der - Luftdruck und die Luftdichte nehmen mit der Höhe ab. Deshalb müssen Flugmotoren in großer Höhe fliegender Luftfahrzeuge aufgeladen werden (Aufladung). Wegen der Luftdruckabnahme und der damit verbundenen Verringerung des Sauerstoffgehalts ist bei Flügen oberhalb 4 000 m Höhe ein Atemgerät oder eine Druckkabine erforderlich.
Den unteren Bereich der Atmosphäre, in dem sich der Hauptteil der Luftfahrt abspielt, bezeichnet man als Aerosphäre. Ihr oberer Grenzbereich ist die Aeropause. In ihr hören die Funktionen der Atmosphäre für Flugzeuge (Auftrieb) und Besatzung (Sauerstoffgehalt, Luftdruck) allmählich auf. Dies muß bei Konstruktion und Ausrüstung der Flugzeuge berücksichtigt werden.

Normatmosphäre

→ Hauptartikel: Normatmosphäre

Die ICAO hat für die Luftfahrt eine allgemein gültige und verbindliche Normatmosphäre definiert. Diese ist im ICAO Dokument 7488/2 definiert und beschrieben.
Die Normatmosphäre ist eine Bezugsgröße für die mit der Flughöhe eintretenden Veränderungen von Luftdruck, -temperatur und -dichte, mit deren Hilfe man Flugleistungen und -eigenschaften, die bei bestimmten Wetterlagen erfolgen bzw. ermittelt werden, auf eine Vergleichshöhe umrechnen kann. Sie entspricht der Internationalen Standardatmosphäre (ISA) oder Internationalen Normalatmosphäre (INA), für die in Meereshöhe ein Luftdruck von 1.013,25 mbar = 760 Torr, eine Luftdichte mit 1,226 kg/m³ und eine Temperatur von 15 °C angenommen werden, ferner eine Temperaturabnahme um 6,5 °C je 1.000m Höhe bis 11 km Höhe und oberhalb 11 km eine konstante Temperatur von - 56,5 °C bis 20 km Höhe.

Grenzen

Grenze zum Weltraum

Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich, man kann keine scharfe Obergrenze der Atmosphäre ziehen. In der Exosphäre (oberhalb der Exobase in ~600 km Höhe) ist die mittlere freie Weglänge so groß, dass Teilchen entweichen können, wenn sie die Fluchtgeschwindigkeit erreichen können. Einzelnen Wasserstoffteilchen wird das durch Zusammenstöße bereits bei mittleren Geschwindigkeiten von 3–4 km/s möglich.

Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km (Kármán-Linie) als Grenze angesehen. Diese Definition ist international weitestgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird zum Beispiel von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert.

Weitere Unterscheidungen

Neben der üblichen Einteilung einer Atmosphäre und speziell der Erdatmosphäre nach ihrem vertikalen Temperaturgradienten ist in der Meteorologie auch die Unterscheidung zwischen Homosphäre (von griech. ὁμός homós „gleich“) und Heterosphäre (von griech. ἕτερος heteros „der andere“, „ungleich“) gebräuchlich. In der Homosphäre sind die Atmosphärengase gut durchmischt, in der darüber liegenden Heterosphäre beginnen sich die Atmosphärenbestandteile mit wachsender Höhe zunehmend zu entmischen.
Der Übergangsbereich zwischen beiden wird als Homopause oder Turbopause bezeichnet, sie liegt im Fall der Erde in einer Höhe von etwa 80 bis 120 Kilometern.

Siehe auch

ICAO-Standardatmosphäre 1976