Aufbau der erdatmosphäre/ ozonschicht; ozonloch (entstehung)

Atmosphäre, Gemisch von Gasen, das einen Himmelskörper (wie die Erde) umgibt, dessen Gravitationsfeld stark genug ist, um die Gase vom Entweichen abzuhalten. Im Allgemeinen wird mit dem Begriff Atmosphäre die Lufthülle der Erde bezeichnet.

Die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre sind Stickstoff (78 Prozent) und Sauerstoff (21 Prozent). Der Rest setzt sich zusammen aus Argon (0,9 Prozent), Kohlendioxid (0,03 Prozent), verschiedenen Mengen von Wasserdampf und Spuren von Wasserstoff, Ozon, Methan, Kohlenmonoxid, Helium, Neon, Krypton und Xenon. 2 ENTWICKLUNG DER ATMOSPHÄRE Das Gasgemisch, das wir heute vorfinden, hat sich im Lauf von rund viereinhalb Milliarden Jahren entwickelt. Die früheste Atmosphäre (Uratmosphäre) war ausschließlich vulkanischer Herkunft. Die Gase, die von heutigen Vulkanen freigesetzt werden, sind zum größten Teil aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Stickstoff zusammengesetzt und weisen so gut wie keinen freien Sauerstoff auf. Sollte die frühe Atmosphäre aus einem ähnlichen Gemisch bestanden haben, so müssen verschiedene Prozesse die Umwandlung herbeigeführt haben, die unsere heutige Atmosphäre schuf. Einer dieser Prozesse war die Kondensation.

Nach der Abkühlung kondensierte ein großer Teil des Wasserdampfes, und die ersten Meere bildeten sich. Zudem spielten chemische Reaktionen eine bedeutende Rolle. Teile des Kohlendioxids reagierten mit dem Felsgestein auf der Erdkruste und erzeugten carbonathaltige Mineralien, andere lösten sich in den neuen Meeren auf. Später, als sich primitive Lebensformen entwickelten, die zur Photosynthese fähig waren, begannen Wasserorganismen mit der Erzeugung von Sauerstoff. Es wird angenommen, dass beinahe der gesamte Sauerstoff in der heutigen Luft durch diese Prozesse entstand. Vor ungefähr 570 Millionen Jahren wurde der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und in den Meeren so hoch, dass sich zur Atmung fähige marine Organismen entwickeln konnten. Vor etwa 400 Millionen Jahren reichte der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre, um atmenden Landtieren die notwendigen Lebensbedingungen zu bieten. 3 ZUSAMMENSETZUNG Der Gehalt an Wasserdampf in der Luft schwankt beträchtlich; je nach Temperatur und relativer Feuchtigkeit kann er unterschiedliche Werte haben. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 100 Prozent schwankt der Gehalt an Wasserdampf zwischen 190 ppm (parts per million: Teile auf eine Million Teile) bei einer Temperatur von -40 °C und 42 000 ppm bei 30 °C.

Winzige Mengen anderer Gase, wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Schwefel- sowie Stickstoffoxide, befinden sich in der Nähe von Vulkanen zeitweise in der Atmosphäre und werden durch die Niederschläge aus der Luft gewaschen. Oxide und andere Schadstoffe, die von Fabriken und Kraftfahrzeugen in die Atmosphäre eingetragen werden, verursachen durch sauren Regen große Schäden. Zudem beeinflusst die stete Zunahme atmosphärischen Kohlendioxids, die in erster Linie von der Verbrennung fossiler Brennstoffe herrührt, das globale Klima durch den so genannten Treibhauseffekt nachhaltig. Ähnliche Befürchtungen gibt es bezüglich der Zunahme von atmosphärischem Methan. Annähernd 80 Prozent des Gases werden durch Fäulnisbildung in Reisfeldern und Sümpfen, durch die Verdauungsgase des Weideviehs sowie durch tropische Termiten erzeugt. Neben der Intensivierung des Treibhauseffekts liegt eine weitere Wirkung von Methan in der Verringerung der vorhandenen Menge atmosphärischer Hydroxyl-Ionen; dadurch wird die Fähigkeit der Atmosphäre, sich von Schadstoffen zu reinigen, erheblich eingeschränkt. Luftanalysen haben gezeigt, dass sich die Zusammensetzung der Luft bis in eine Höhe von mindestens 90 Kilometern über dem Meeresspiegel nicht wesentlich von der am Boden unterscheidet. Die stete Bewegung durch atmosphärische Strömungen hindert die schwereren Gase, sich unterhalb der leichteren Gase abzusetzen. In der unteren Atmosphäre ist das Ozon, eine Form des Sauerstoffs mit drei Atomen in jedem Molekül, gewöhnlich nur in extrem niedrigen Konzentrationen verbreitet. Die von etwa 20 bis 50 Kilometer reichende Schicht der Atmosphäre enthält mehr Ozon, das durch die ultraviolette Strahlung der Sonne erzeugt wird. Aber selbst in dieser Schicht beträgt der Anteil des Ozons nur 0,001 Prozent. Atmosphärische Störungen und Abwinde verfrachten einen Teil dieses Ozons zur Erdoberfläche, wo es erhebliche Schäden bei Lebewesen bewirkt. Anfang der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts wurde bekannt, dass die als Kühl- und Treibmittel verwendeten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) in der Atmosphäre zum Abbau der Ozonschicht beitragen. Man nimmt an, dass diese Verbindungen im Zusammenspiel mit dem Sonnenlicht auf photochemischem Weg das stratosphärische Ozon angreifen und zerstören, das die Erdoberfläche vor starker ultravioletter Bestrahlung schützt. Deshalb wurden die FCKWs in den Industrieländern weitgehend durch andere Mittel ersetzt. Die Atmosphäre lässt sich in verschiedene Schichten gliedern. In der untersten, der Troposphäre, sinkt die Temperatur im Mittel um 5 bis 6 °C pro Kilometer. Dieser Bereich ist die wolkenreichste Schicht. Die Troposphäre reicht bis zur Tropopause; diese Grenzschicht liegt etwa zwischen 16 Kilometer Höhe über tropischen Regionen und 11 Kilometer Höhe über Polargebieten. Über der Tropopause erstreckt sich die Stratosphäre. Aufgrund der geringen Luftfeuchte ist die Stratosphäre nahezu wolkenlos. In der unteren Stratosphäre bleibt die Temperatur mit der Höhe annähernd konstant, im oberen Teil steigt sie mit zunehmender Höhe rasch an, da das Sonnenlicht vom Ozon absorbiert wird. Die Stratosphäre wird nach oben von der Stratopause begrenzt. Die Mesosphäre erstreckt sich etwa zwischen 50 bis 80 Kilometer über der Erdoberfläche. Sie ist von einem deutlichen Temperaturrückgang mit zunehmender Höhe gekennzeichnet. Oberhalb dieser von der Mesopause begrenzten Schicht befindet sich die bis in eine Höhe von 640 Kilometern reichende, von hoher Ionendichte geprägte Ionosphäre. Aufgrund der hohen Temperatur (die in 400 Kilometer Höhe bis zu 1 200 °C erreicht) wird diese Schicht auch Thermosphäre genannt. Jenseits der Ionosphäre erstreckt sich die Exosphäre; sie dehnt sich bis etwa 9 600 Kilometer aus und stellt die äußere Grenze der Atmosphäre dar. 5 PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN Vertikaler Aufbau der Atmosphäre Die Abbildung zeigt den vertikalen Aufbau der Atmosphäre und den Temperaturverlauf. Die Dichte trockener Luft beträgt auf Meeresspiegelhöhe etwa 1/800 der Dichte von Wasser. In größeren Höhen nimmt diese Dichte schnell ab - proportional zum Luftdruck und umgekehrt proportional zur Temperatur. Der Luftdruck wird mit einem Barometer gemessen und in Pascal ausgedrückt. Der normale Luftdruck auf Meeresspiegelhöhe beträgt etwa 1 013 Hektopascal bzw. Millibar (früher 760 Torr, das sind 760 Millimeter Quecksilbersäule). Bei einer Höhe von 5,6 Kilometern sind es etwa 510 Hektopascal (380 Torr). Die Hälfte der gesamten Luft in der Atmosphäre liegt unterhalb dieser Höhe. Der Luftdruck verringert sich mit zunehmender Höhe alle weiteren 5,6 Kilometer jeweils um rund die Hälfte. In einer Höhe von 80 Kilometern beträgt der Luftdruck noch 0,0009 Hektopascal (0,0007 Torr). Die Troposphäre und der größte Teil der Stratosphäre können mit Ballons erforscht werden, die mit Messinstrumenten für Luftdruck und Temperatur sowie mit einem Radiosender ausgestattet sind, der die Daten zu einer Empfangsstation auf die Erde sendet. Raketen mit Sendern, die Messwerte meteorologischer Instrumente übertragen, erkunden die Atmosphäre bis in Höhen von etwa 400 Kilometern. Untersuchungen des Polarlichtes ermöglichen weitere Erkenntnisse über die Atmosphäre bis zu einer Höhe von rund 800 Kilometern. Siehe Weltraumforschung Ozonschicht, Bereich in der Atmosphäre, der sich etwa 20 bis 30 Kilometer oberhalb der Erdoberfläche befindet. In der nur 3 bis 4,5 Millimeter dicken Ozonschicht herrscht eine Ozonkonzentration von bis zu 10 ppm (Anzahl der Teilchen pro Million Teilchen: parts per million). Das Ozon entsteht dort durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung auf Sauerstoff. Diese Einwirkung findet seit Millionen von Jahren statt, doch haben Stickstoffverbindungen in der Atmosphäre die Ozonkonzentration auf einem etwa stabilen Niveau gehalten. Derart große Ozonkonzentrationen am Erdboden würden die menschliche Gesundheit gefährden - aber da die Ozonschicht das Leben auf der Erde vor der krebserregenden ultravioletten Sonnenstrahlung schützt, ist sie von größter Wichtigkeit. Aus diesem Grund waren Wissenschaftler beunruhigt, als sie entdeckten, dass chemische Gase, darunter vor allem die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) - lange Zeit als Kühlmittel und als Treibmittel in Spraydosen benutzt - eine Bedrohung für die Ozonschicht darstellen. In die Atmosphäre freigesetzt, steigen die chlorhaltigen Gase auf und werden vom Sonnenlicht gespalten, woraufhin freigesetzte Chlorradikale mit den Ozonmolekülen reagieren und diese zerstören. Deswegen wurde der Gebrauch von FCKWs in vielen Ländern verboten. Mitte der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts wiesen Forscher einen Rückgang von Ozon in der Atmosphäre über der Antarktis nach. Das so genannte Ozonloch entsteht im antarktischen Frühling und bleibt für einen Zeitraum von mehreren Monaten bestehen, bis es sich wieder schließt. Wie andere Untersuchungen ergaben, bei denen Höhenballons und Wettersatelliten eingesetzt wurden, ging der Gesamtanteil des Ozons in der Ozonschicht über der Antarktis zurück. Messungen zufolge erreichte der Rückgang der Ozonschicht über der Antarktis 1998 höhere Werte als in den Vorjahren. Flüge über der Arktis zeigten ähnliche Entwicklungen. Bis zum Januar 2000 war die Dicke der Ozonschicht über der Arktis um mehr als die Hälfte des ursprünglichen Wertes geschrumpft. Das Ozonloch in der Stratosphäre über der Arktis erstreckte sich über eine Fläche von rund 15 Millionen Quadratkilometern. Auf eine meteorologische Ursache führten Experten die ungewöhnliche Zunahme der Ozonschicht über Mitteleuropa im April 1999 zurück, wobei eine Stärke von 4,5 Millimetern erreicht wurde. Ein derart hoher Wert war in den neunziger Jahren zuvor nicht gemessen worden. Der niederländische Atmosphärenexperte Paul Crutzen stellte 1999 fest, Modellrechnungen ließen den Schluss zu, dass die Ozonkonzentration in den kommenden 10 bis 20 Jahren insgesamt weiter abnehmen werde. Im Jahr 1985 wurde eine Konvention von den Vereinten Nationen verabschiedet, bekannt als Protokoll von Montreal, in dem 49 Unterzeichnerstaaten ein Auslaufen der FCKW-Produktion bis zum Ende des Jahrhunderts zusagten; 1987 wurde ein Abkommen zum Schutz der Ozonschicht von 36 Staaten signiert und später ratifiziert. Die Europäische Gemeinschaft (heute Europäische Union) schlug 1989 ein vollständiges Nutzungsverbot von FCKWs während der neunziger Jahre vor, dem sich die USA anschlossen. Um die Verminderung des Ozons weltweit zu beobachten, schoss die NASA 1991 einen sieben Tonnen schweren Forschungssatelliten in eine Umlaufbahn. In einer Höhe von 600 Kilometern kreist das Weltraumfahrzeug um die Erde, misst Ozonschwankungen in verschiedenen Höhen und verschafft zum ersten Mal ein vollständiges Bild von der chemischen Struktur der oberen Atmosphäre. Im September 1997 wurde auf der internationalen Konferenz zum Schutz der Ozonschicht in Montreal der Ausstieg aus dem Pilzbekämpfungsmittel Methylbromid beschlossen. Diese Substanz trägt ebenfalls zur Schädigung der lebenswichtigen Ozonhülle der Erde bei. Der von der Europäischen Union (EU) eingebrachte Vorschlag einer vom Jahr 2030 auf 2015 vorgezogenen Beendigung des Verbrauchs von teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (H-FCKWs) scheiterte u. a. am Widerstand der Vereinigten Staaten von Amerika. In den USA wurden die mittlerweile in Industriestaaten verbotenen FCKWs vor allem in Klimaanlagen durch H-FCKWs ersetzt; diese sind zwar weniger aggressiv, schädigen die Ozonschicht jedoch auch. Für Industriestaaten wurde bei Methylbromid das Ausstiegsdatum auf den 1. Januar 2005 (bei Reduktionsschritten von 25 Prozent bis 1999, von 50 Prozent bis 2001 und von 70 Prozent bis 2003) festgelegt. Für Entwicklungsländer gilt der 1. Januar 2015 als endgültiger Ausstiegstermin; bis zum Jahr 2005 soll dort der Ausstoß um wenigstens 20 Prozent vermindert werden. Bei den Industrieländern galt bislang das Jahr 2010 als Ausstiegsziel. Für Entwicklungsländer war vorher kein Datum fixiert worden. Methylbromid wird vor allem in den Entwicklungsländern, in den USA und in einigen südeuropäischen Ländern u. a. zum Haltbarmachen von Obst und Blumen eingesetzt.