Universit  ät Bremen WiSe  2008/09

Institut  für Geographie  

Inhalt   

1.  Einleitung 3 -  4

2.  Entstehungsgeschichte der Erdatmosphäre 4 -  6

3.  Allgemeiner Aufbau der Atmosphäre  7

3.1  Troposphäre 8 -  9

3.2  Stratosphäre und die Ozonschicht 9 -  11

3.3  Mesosphäre  11

3.4  Thermosphäre und Exosphäre 12 -  13

4.  Zusammensetzung der Atmosphäre. 13 -  14

4.1  Stickstoff 14 -  15

4.2  Sauerstoff 15 -  16

4.3  Spurengase  16

4.3.1  Kohlendioxid  17

4.3.2  Methan  18

4.3.3  FCKWs 18 -  19

4.4  Edelgase 19 -  20

5.  Zusammenfassung und Ausblick 20 -  22

Abbildungen   23

Literatur  23 -  24

2

Universität Bremen WiSe 2008/09

Institut für Geographie

1. Einleitung

Die Atmosphäre auf unserem Planeten, wie wir sie heute in ihrem Aufbau und Zusammensetzung kennen, hat eine Jahr Milliarden lange Geschichte hinter sich.

Atmosphären gibt es nicht nur auf der Erde, sondern auch auf Planeten wie der Venus und dem Mars. Die sind die Gashüllen. Die Gase werden bedingt durch die Schwerkraft eines Planeten festgehalten (Häckel, 2008).

Unser Mond zum Beispiel, besitzt keine Atmosphäre. Da seine Gravitationskraft zu gering ist, um Gase überhaupt anziehen und festhalten zu können (Mitton & Mitton, 2001). Auf der Venus existiert eine Atmosphäre, die aber kein Leben möglich macht. Der Grund hierfür liegt in der deutlich stärkeren Sonneneinstrahlung und dem größerem Treibhauseffekt. Die Venus besitzt, im Gegensatz zur Erde, deutlich höhere Temperaturen (Mitton & Mitton, 2001).

Der Mars besitzt ebenfalls eine Atmosphäre, dort ist es wiederum zu kühl um ein lebenswertes Klima möglich zu machen (Mitton & Mitton, 2001). Die Erde hat einen vitalen Abstand zur Sonne, so dass hier die extremsten gemessenen Temperaturen zwischen - 89,2° C (Wostok, Antarktis) und 57.3°C (Al Aziziyah, Libyen) liegen. Im Mittel ist das Klima lebensfreundlich und somit begünstigend für die Entwicklung von Leben (Mitton & Mitton, 2001).

Bedingt durch die verschiedenen exogenen Einflüsse, wie die Konzentration von interstellaren Gesteinskörpern im Weltraum und der Sonnenaktivität war die Erdatmosphäre ständig Veränderungen ausgesetzt bzw. sie waren der Anstoß für die Veränderung des Aufbaus und der Zusammensetzung der Gashülle auf unserem Planeten (Keppler, 1988).

3

Universität Bremen WiSe 2008/09 Institut für Geographie

Im folgendem werden wir uns zunächst mit der Entstehungsgeschichte der Atmosphäre auseinandersetzen. Danach werden wir auf den allgemeinen Aufbau eingehen und uns später mit der Zusammensetzung der vielfältigen Gase und deren Bedeutung für die Umwelt und den Menschen beschäftigen.

2. Die Geschichte der Erdatmosphäre

Die erste Atmosphäre, die sogenannte Uratmosphäre bildete sich vor circa 4,6 Milliarden heraus. Nachdem die Erde während der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems eine gewisse Masse erreichte, entwickelte sich die Erdanziehungskraft, die ein Teil der Gase aus dem Sonnensystem an sich zog (Häckel, 2008).

Nach heutigen Schätzungen geht man davon aus, dass sich die Uratmosphäre hauptsächlich aus den Elementen Wasserstoff (92 %), Helium (7%), Kohlendioxid (0,03 %), Stickstoff (0,008 %), Sauerstoff (0,006 %) und geringen Mengen von Spurengasen zusammensetzte. Innerhalb von etwa 100 Millionen Jahren führten bedeutende Ereignisse dazu, dass die Uratmosphäre in den Weiten des Weltraums wegdiffundierte (auflöste) (Häckel, 2008). Denn durch die ständigen Einschläge von kosmischen Himmelskörpern wie Meteoriten, so vermutet man, bei denen während des Aufpralls auf der Erde gewaltige Energien freigesetzt werden, heizte sich die Erdoberfläche auf (Keppler, 1988).

Ein weiterer wichtiger Faktor der noch hinzu kommt, ist ein Himmelskörper, der zuerst aus einem dunklem Materiehaufen bestand. Dieser Materiehaufen erhitzte sich durch äußerliche Einschläge (Meteoriten) auf ca. 10 Mio. ° C auf, so dass dort der thermonuklearen Prozess zündete, der ein Vielfaches mehr an Strahlung freisetzte als heute. Wir kennen diesen Himmelskörper heute als Sonne (Keppler, 1988).

4

Universität Bremen WiSe 2008/09 Institut für Geographie

Vor circa 4 Mill. Jahren, verringerten sich nun die Einschläge auf dem Planeten, denn die interstellaren Gesteinsbrocken verteilten sich allmählich auf die Himmelskörper. Nun kühlte die fast ausschließlich von Vulkanismus geprägte Erdoberfläche durch Abstrahlung der Wärme langsam ab (Keppler, 1988).

Durch die Abkühlung erfolgte nun die Ausgasung der Lava- und Gesteinsmassen. Eine zweite Atmosphäre entwickelte sich nun heraus und Bestand schätzungsweise zu 80 % Wasserdampf, 10 % Kohlendioxid, 5 - 7 % Schwefelwasserstoff und in geringen Anteilen zu 0,5 % aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Häckel, 2008). Durch die Energie der Sonneneinstrahlung, die bislang ungefiltert auf die Erdoberfläche gelangte, spaltete sich chemisch Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff auf. Besonders wichtig ist hier die extrem kurzwellige UV-C Strahlung zu erwähnen (Häckel, 2008). H 2 O + UV Strahlung→ H + O 2 (Photolyse)

Aber auch Spurengase wie Ammoniak und Methan reagierten mit der UV Strahlung und zerlegten sich in Wasserstoff und Stickstoff (Häckel, 2008).

Trotz Abkühlung der Erdoberfläche, herrschten auf der Erde immer noch hohe Temperaturen und ein hoher Druck, der sich durch das Ausgasen des Planten entwickelte. Die Atmosphäre verdichtete sich. Es stellte sich ein extremer Treibhauseffekt ein, wie man ihn heute von der Venus kennt (Keppler, 1988).

Der entscheidende Unterschied dabei ist nur, dass die Erde einen optimaleren Abstand zur Sonne besitzt. Somit ließ der Treibhauseffekt, bedingt durch Sonneneinstrahlung und Wärme, nach und der Wasserdampf konnte im Laufe der Zeit durch Abkühlung zu Wasser kondensieren (Keppler, 1988).

5

Universität Bremen WiSe 2008/09 Institut für Geographie

Man geht davon aus, dass der Prozess des Kondensierens eine Regenzeit von ca. 40.000 Jahre einleitete, dabei bildete sich der erste Ozean, der Ur-Ozean und somit unsere heutige Hydrosphäre (TU Darmstadt, 2004).

Dieser Vorgang bereitete den Weg für die Dritte Atmosphäre.

Die Dritte Atmosphäre bildete sich vor ca. 1,5 Mill. Jahren und bestand hauptsächlich aus den Gasen Wasserstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und in geringen Mengen aus Sauerstoff. Die kleinen Mengen an Sauerstoff, durch Photolyse oder durch Photosynthese von Cyanobakterien produziert, wurden bislang in Form von Oxidation an der Erdoberfläche und im Meerwasser gebunden (Häckel, 2008).

Als sich die Oxidationsprozesse auf der Erde reduzierten, konnte mehr Sauerstoff in die Atmosphäre gelangen, dieser Sauerstoff wurde durch die Einwirkung von UV Strahlung chemisch in Ozon umgewandelt, es verschaffte der Erde die schützende Ozonschicht (Keppler, 1988).

Nun konnte sich das Leben auf der Erde weiterentwickeln. Es entstanden weitere Lebensformen wie die Eukaryonten, die die Eigenschaft besaßen, aus Veratmung (Assimilation und Respiration) Energie zu gewinnen (Häckel, 2008). Die sogenannte Biosphäre breitete sich im Wasser aus und steigerte den Sauerstoffgehalt der Luft innerhalb von 1 Mill. Jahren um das Zehnfache (Häckel, 2008). Durch die Entstehung von Leben in Form von Vegetation oberhalb und unterhalb des Wassers stieg der Gehalt von Sauerstoff rasch an. Vor etwa 350 Mio. Jahren erreichte die Erdatmosphäre ihre heutige Zusammensetzung der Gase (Häckel, 2008).

6