Atmosphäre

Dünne Schutzhülle der Erde

Das Medium des Klimas ist die Erdatmosphäre, die Gashülle oberhalb der Erdoberfläche. Dass das Klimasystem alle Erdsphären (u.a. Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre) einschließt, zeigt schon die Geschichte der Atmosphäre. Neben einem erdgeschichtlichen Abriss werden die heutige Zusammensetzung der Atmosphäre und ihr vertikaler Aufbau beschrieben.

Im Lauf der Erdgeschichte hat sich die Zusammensetzung der Atmosphäre mehrmals drastisch geändert. Die Hauptrolle bei der Herausbildung der heutigen Atmosphäre spielte die Biosphäre. Entscheidend war die „Erfindung“ der Fotosynthese, bei der mit der Energie des Sonnenlichtes der Kohlenstoff (C) aus dem Kohlendioxid (CO₂) der Luft in die festen Bestandteile der Pflanzen eingebaut wird. Dabei wird ungebundener zweiatomiger Sauerstoff (O₂) freigesetzt.

Schutzschirm Ozon

Für die frühe Atmosphäre bewirkte die Fotosynthese der Wasserpflanzen noch keine radikale Umgestaltung, da der frei werdende Sauerstoff großteils im Ozean gebunden wurde. Immerhin gelangten ausreichende Mengen von Sauerstoff in die Atmosphäre, wo dieser in hohen Luftschichten unter Verwendung des kurzwelligen, ultravioletten Sonnenlichtes (UV-Strahlung) eine dünne aber stabile und wirksame Ansammlung von Ozon (O₃) bilden konnte. Durch die Ozonschicht wurde die für das Leben schädliche, UV-Strahlung absorbiert und damit nicht bis zur Erdoberfläche durchgelassen.

Fotosynthese revolutioniert die Atmosphäre

Damit war vor etwa 600 Mio. Jahren für das Leben der Weg bereitet, den Schritt vom schützenden Ozean auf die Landoberfläche zu tun. Die entstehende Pflanzendecke entfernte wesentliche Mengen von Kohlendioxid aus der Lufthülle und reicherte sie mit Sauerstoff an. In der Zeitspanne von 600 bis 300 Mio. Jahren vor heute stieg der Sauerstoffgehalt von etwa 3 % auf über 20 %. Gleichzeitig reduzierte sich das Kohlendioxid auf ein Zwanzigstel der ursprünglichen Konzentration, die heutigen 0,03 %, was neben anderen Faktoren zu einem lange andauernden massiven Eiszeitalter führte. Als Gegenspieler zum pflanzlichen Leben bewirkte der ebenfalls rasch erfolgte Landgang des tierischen Lebens eine langfristige Stabilisierung des Gasmischungsverhältnisses der Atmosphäre. Die Tierwelt verbraucht bei der Atmung Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid und lebt somit mit der Pflanzenwelt in einem Gleichgewicht.

Tab. 1: Die gegenwärtige Zusammensetzung trockener und reiner atmosphärischer Luft in Bodennähe (Schönwiese 2008).

Spurengase mit großer Wirkung

Als einziger Bestandteil der Atmosphäre blieb der reaktionsträge Stickstoff (N₂) im Lauf der Erdgeschichte sehr konservativ und kam so zu seiner heute Dominanz. In für den Menschen relevanten Zeitspannen kann auch für die beiden anderen Hauptbestandteile der Atmosphäre, Stickstoff und Sauerstoff, von Stabilität ausgehen. Es gibt allerdings auch Gase in sehr geringer Konzentration, die aufgrund ihrer Strahlungseigenschaften klimawirksam sind: die Treibhausgase. Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre geht aus Tabelle 1 hervor.

Abb. 1: Vertikale Gliederung der Erdatmosphäre. Die blau gepunktete Kurve stellt die gemittelte Lufttemperatur dar (Schönwiese 2008).

Hauchdünne Klimahülle

Diese Gasaufteilung ist in den unteren 100 km der Atmosphäre ziemlich konstant. Bei großzügiger Betrachtung geht die Atmosphäre spätestens in 1.000 km Höhe in den Weltraum über, technisch gesehen herrscht schon weit darunter ein Vakuum. Wetter- und Klimaprozesse spielen sich in der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, ab (eingeschränkt auch in der angrenzenden Stratosphäre). Die Troposphäre ist nur etwa 11 (7 bis 17) km dick, die Höhe dieser dünnen Klimahülle beträgt also nur etwa ein 580. des Erdradius. Sie enthält aber bereits 90 Prozent der Luft. Dementsprechend nehmen Luftdichte und Luftdruck über die gesamte Atmosphäre nach oben hin rasch ab. Die vertikale Temperaturentwicklung kehrt sich jedoch drei Mal um (Abb. 1).

Literatur:

Böhm R. (2010): Heiße Luft – nach Kopenhagen. Reizwort Klimawandel. Fakten – Ängste Geschäfte. 2. Aufl. Wien, Klosterneuburg: Edition Va Bene, 280 Seiten, ISBN 978-3851672435

Huber B.T., McLeod K.G., Wing S.L. (2000): Warm climates in Earth history. Cambridge: Cambridge University Press, 462 Seiten, ISBN 978-0521641425

Schönwiese C.D. (2008): Klimatologie. 3. Aufl. Stuttgart: Ulmer, 472 Seiten, ISBN 978-3825217938