Stockwerkbau der Atmosphäre

Ein paar Fragen zur Unterstützung der Vorbereitung

Aufbau und Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre

eine von der Schwerkraft eines Himmelskörpers festgehaltene Gashülle
Zusammensetzung abhängig von Temperatur, Größe und Masse des Himmelskörpers
Die Erde weist einen atmosphärischen Stockwerkbau auf

Bis 20 km Höhe dominieren verschiedene permanente Gase (d.h. Gase die unter atm. Bedingungen nicht in die feste oder flüssige Phase übergehen)

Nahezu unveränderliche Anteile:
Stickstoff N₂ 75,53 Gew.% 78,08 Vol.%
Sauerstoff O₂ 23.14 Gew.% 20,95 Vol.%
Argon Ar 1,28 Gew.% 0,93 Vol.%

In veränderlichen Anteilen:
Kohlendioxid CO₂ 0,0314 Vol.%
Methan CH₄ 0,0002 Vol.%

Trotz starker Massenunterschiede bleibt das Mischungsverhältnis infolge der turbulenten Durchmischung konstant
Wasserdampf H₂O gehört zu den kleinen Gasanteilen mit max. 4 Vol.% in den feuchten Tropen und zwischen 0,4 und 1,3 Vol.% in den Mittelbreiten
Aerosole, sind alle Verunreinigungen der Luft, die von natürlichen (z.B. Wüsten, Vulkane, Waldbrände) und künstlichen Emittenten (z.B. Industrie, Kfz) in die Atmosphäre gebracht und dort für einen Weile suspendieren

Masse der Atmosphäre: 5 x 10¹⁵t
Erde + Atmosphäre: 6 x 10²¹ t

Dabei liegen 95 % der Atmosphärenmasse unterhalb der Ozonschicht

Zur Statik der Atmosphäre

~ beschreibt zusammengefaßt alle Gewichtsauswirkungen der Lufthülle

Druck = Kraft/Flächeneinheit

(Bei Schwerkraft also Gewicht/Flächeneinheit)

Der Luftdruck kann angegeben werden in:
cm Quecksilbersäule [cm Hg]
Atmosphären: [atm]
Hektopascal : [hPa]
Millibar: [mb]

Flüssigkeits- bzw. Gasdruck wirkt im Gegensatz zu festen Körpern allseitig nach allen Richtungen

"Ein Körper erfährt in einer Flüssigkeit oder einem Gas einen Auftrieb, der genau dem Gewicht des von dem Körper verdrängten Volumens des Gases oder der Flüssigkeit entspricht"

Kinetische Gastheorie:

Moleküle eines Gases sind in ständiger ungeregelter Bewegung (Brown’sche Molekularbewegung), was zu ständigen Zusammenstößen und damit Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen, nicht aber zu einer Änderung der Gesamtsumme aller Bewegungsgrößen führt.

Die kinetische Energie eines Moleküls ergibt sich aus dessen Masse µ und seiner mittleren Geschwindigkeit v (E_kin = µ * v²/2) und ändert sich nur mit der Temperatur.

Erhöht man in einem gegebenen Luftvolumen die Temperatur, so erhöht sich die kinetische Energie der Moleküle und damit deren Stoßkraft
=> der Druck steigt

Eine Vegrößerung des Volumens bedeutet weniger Moleküle pro Volumeneinheit und damit eine Verringerung der St0ßanzahl pro Zeiteinheit
=> der Druck fällt

Prinzip der Luftdruckmessung:

Quecksilberbarometer; das Gewicht der Quecksilbersäule im luftleeren Rohr entspricht dem Gewichr der Luftsäule über dem offenen Behälter

(Beachten Sie: für die Vergleichbarkeit von Luftdruckwerten muß der abgelesene Barometerstand erst auf 0°C reduziert werden; wegen der unterschiedlichen Schwerkraft repräsentiert eine gleich lange Hg-Säule am Pol einen höheren Luftdruck als am Äquator -- > Reduktion auf Normalschwere und NN)

Normaldruck liegt bei 760 mm Hg-Säule = 1013 mbar = 1013 hPa

(allgemein: 1 mm Hg-Saüle entspricht 1,333 mbar)

Hydrostatische Grundgleichung

Druckdiffernz zwischen zwei Meßniveaus entspricht dem Gewicht der Massen zwischen diesen Meßniveaus

Differentialform: -dp = -Dichte * g* *dh

dp = p1 –p2 = (h2 – h1) * S = dh * S
S = spez. Gewicht der Luft
g* = Schwerebeschleunigung

Angewendet auf das Barometerprinzip:13,6 * g* (p2 –p1) = g* * Dichte * Höhe H

=> Änderung der Länge der Quecksilbersäule besagt, daß das Gewicht des Quecksilbers dem Gewicht der Luft zwischen den Meßniveaus entspricht

Die Dichte eines Gases ändert sich mit der Temperatur und mit dem Druck

Nach Boyle-Mariotte-Gay-Lussac: Dichte = Druck P / ( Temperatur T * Materialkonstante R)

Der Luftdruck ist abhängig:

von der Höhe über NN

von den Eigenschwingungen der Atmosphäre (geringer Einfluß (2-4 hPa), nur meßbar wenn keine anderen Luftdruckänderungen oder Temperaturschwankungen auftreten)

von den Gezeiten: Ein Teil der Erdanziehung wird durch die Anziehung des Mondes kompensiert. Damit wird auf der Linie zwischen Erd- und Mondmittelpunkt an der Erdoberfläche die resultierende Anziehung kleiner. Dies führt u.a. zu den Gezeiten: Der Meeresspiegel steigt dadurch an, daß die resultierende Anziehung der Erde kleiner wird, die Zentrifugalkraft durch die Drehung der aber gleich bleibt. Dadurch wird das Wasser weiter von Erdmittelpunkt wegbewegt, d.h. der Meeresspiegel steigt. Das gleiche passiert mit der Atmosphäre.

Barometrische Höhenformel:

~ mit ihr kann man auf Grund von Luftdruck- und Temperaturmessungen in verschiedenen Höhen der Atmosphäre die Höhendifferenz zwischen den Meßpunkten bestimmen

Das kann man auch einfacher ausdrücken: H_t = a * ln (p0/p), wobei die Proportionalitätskonstante a = RT/g

d.h. Höhe der Luftsäule zwischen zwei Luftdrucken p2 und p1 ist gleich der Länge der Luftsäule bei 0°C, korrigiert um 4-Tausendstel dieser Länge für jedes Grad °C, das das arithmetische Mittel der wirklichen Temperatur in der Luftsäule von 0°C abweicht

Anwendung der barometrischen Höhenformel

Konstruktion von Höhenluftdruckkarten

a) absolute Topographie: Topographie der Höhenlage bestimmter Flächen gleichen Luftdrucks

=> die absolute Topographie der 1000mb-Fläche gibt die Höhenlage dieser fest gewählten Isobarenfläche (Druckniveau) in Isohyp-sendarstellung bezogen auf das Meeresniveau und in der Maßeinheit dm wieder

b) relative Topographie: Isoliniendarstellung des Höhenabstandes zwischen zwei Hauptisobarenflächen

=> räumliche Darstellung der mittleren thermischen Bedingungen in der Luftmasse zwischen den beiden begrenzenden Hauptdruckniveaus

In Wetterberichten erfolgt die Angabe in geodynamischen Dekametern, also durch die Multiplikation mit dem Faktor 0,98.

Nächstes Kapitel: Strahlung

PD Dr. Karl Schneider
Institut für Geographie
Universität zu Köln
Update: 25.10.00