Bedeutung der atmosphäre für das leben auf der erde

Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet wird, welche durch die Erdanziehung auf ihrer Oberfläche gebunden werden.

Die Atmosphäre - die Lufthülle der Erde - ist der Ort, in dem sich Klima und Wetter abspielen. Sie sorgt für den Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen, d.h. ohne sie wäre es unerträglich heiß bzw. kalt. Sie schützt uns außerdem vor dem Einfall gesundheitsschädlicher Strahlung, z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung.

Wie die Grafik zeigt, wird die Atmosphäre auf Grund des vertikalen Temperaturverlaufes in verschiedene Schichten unterteilt. Die äußersten "Hüllen" der Erde sind die Thermosphäre und die Mesosphäre. In der äußeren Thermosphäre herrschen Temperaturen von bis zu 1000�C. In etwa 80 km Höhe trennt die Mesopause die Thermosphäre von der Mesosphäre ab.

Ozonschicht in der Stratosphäre

In ca. 50 km Höhe befindet sich die Stratopause. Sie grenzt die Mesosphäre von der darunterliegenden Stratosphäre ab. In ihr befindet sich die Ozonschicht. Sie absorbiert (aufnehmen) die Ultraviolette (UV) Strahlung. Die UV-Strahlung ist ein Teil der Sonnenstrahlung. Diese besteht aus verschiedenen Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge (elektromagnetisches Spektrum --> Physik), von denen wir optisch nur das Licht wahrnehmen können.

In der Ozonschicht ist die Konzentration an Ozon - einem Molekül mit drei Sauerstoffatomen - sehr groß. Zur Bildung von Ozon muss kurzwellige Ultraviolette Strahlung absorbiert werden. Damit das Ozon wieder abgebaut wird, wird langwelligere UV-Strahlung absorbiert. Zur Ozonbildung und -vernichtung wird also sowohl lang- als auch kurzwellige UV-Strahlung benötigt. Dadurch wird in der Ozonschicht die UV-Strahlung nahezu vollständig absorbiert. An die Erdoberfläche gelangen so nur das sichtbare Licht, die infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) sowie andere langwelligere Strahlungen.

Die Absorption von UV-Strahlung ist eine Voraussetzung für Leben auf der Erde. Die ultraviolette Strahlung bewirkt Mutationen und ruft beim Menschen Hautkrebs hervor. So schützt die Ozonschicht in der Atmosphäre also vor gefährlicher Strahlung.

Wenn in einigen Regionen der Ozonschicht nur sehr wenig Ozon vorhanden ist, spricht man vom Ozonloch. Dort wird folglich nur sehr wenig UV-Strahlung absorbiert und gelangt zur Erdoberfläche. Daher ist es besonders in Australien wichtig, dass man sich gut vor der Sonnenstrahlung schützt, da dort das Ozonloch stark ausgeprägt ist.

Die Troposphäre als Ort des Wetters

Die Troposphäre ist für den Meteorologen die interessanteste Schicht, weil sich nur hier das gesamte Wettergeschehen abspielt. Diese unterste Schicht der Atmosphäre wird durch aufsteigende Warmluft erwärmt und kühlt sich an anderer Stelle wieder ab. Dadurch entstehen nicht nur Temperatur- sondern auch Luftdruckunterschiede, die wiederum Winde und Wolken bewirken. Diese Erscheinungen sind das Wetter.

Die Troposphäre wird nach oben durch die Tropopause abgegrenzt, die in den Tropen höher liegt als an den Polen, weil sich die warme Tropikluft gegenüber der kalten Polarluft stärker ausdehnt.

Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre

Durch die Anziehungskraft der Erde werden auf ihrer Oberfläche Gase gebunden - die Atmosphäre. Zusammensetzung der untersten 100 km (= Homosphäre): 78,08% Stickstoff 20,95% Sauerstoff 0,93% Argon Gase, die einen Anteil von weniger als 1% haben, werden als Spurengase bezeichnet. Dazu gehören u.a. 0,03% Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Ozon. Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase, d.h. sie absorbieren Wärmestrahlung und halten so die 15�C Durchschnittstemperatur der Erde aufrecht.

In der untersten Schicht der Atmosphäre - der Troposphäre - spielt sich das gesamte Wetter- und Klimageschehen ab.

� Matthias Forkel,

Das globale Ökosystem

Der große Luftozean Die Atmosphäre

Der englische Naturforscher Alfred Russel Wallace hat die Atmosphäre Anfang des 20. Jahrhunderts als “großen Luftozean” bezeichnet, und es ist bis heute die anschaulichste Beschreibung der durchsichtigen Gashülle, die den Planeten Erde umgibt. Die Luft trägt entscheidend dazu bei, dass es auf der Erde Leben gibt und verbindet alle Teilsysteme des Ökosystems Erde; Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid sind Teil des Stoffwechsels des Lebens.

Die Erdatmosphäre: eine dünne Gashülle, die aus dem
Weltraum kaum erkennbar ist (hier über dem Indischen
Ozean). Foto: NASA

Atmosphären finden sich auf allen Planeten, deren Schwerkraft ausreicht, Gase festzuhalten. (Wo die Schwerkraft nicht ausreicht, entweichen die Gase in den Weltraum.) Aber die Atmosphäre auf der Erde ist etwas besonderes: Sie befindet sich nicht in einem chemischen Gleichgewicht und spiegelt damit die Existenz von Leben auf der Erde wieder - seit es Leben gibt, verändert dieses die Atmosphäre (siehe >> hier). Das wichtigste Beispiel dafür ist der Sauerstoffgehalt der Luft: Ohne ständigen Nachschub durch Pflanzen würde der chemisch sehr reaktive Sauerstoff sich mit anderen Substanzen verbinden und schnell aus der Atmosphäre verschwinden. (Aus diesem Grund sucht man bei der Suche nach außerirdischem Leben auch nach Sauerstoff in Atmosphären anderer Planeten, >> Die Suche nach außerirdischem Leben.)

Die Zusammensetzung der Luft

Die ursprüngliche Erdatmosphäre (mehr dazu >> hier) stammte aus Ausgasungen aus dem Erdmantel – und war fast frei von Sauerstoff. Als die entstehende Erde soweit abkühlte, dass Wasserdampf aus dieser Atmosphäre kondensierte, bildeten sich schließlich die ersten Meere. In ihnen entstand möglicherweise das erste Leben (mehr dazu >> hier), hier begannen Organismen mit der Erzeugung von Sauerstoff (>> Die Entwicklung des Lebens). Vor 400 Millionen Jahren reichte der Sauerstoffgehalt der Luft, um atmenden Landtieren das Überleben zu erlauben. Heute besteht die Atmosphäre zu 78,1 Prozent aus Stickstoff, zu 20,9 Prozent aus Sauerstoff und zu 0,9 Prozent aus Argon; den kleinen Rest machen Tausende von „Spurengasen“ aus. Trotzt ihrer kleinen Menge können auch diese eine wichtige Rolle spielen; so ist das Spurengas Kohlendioxid ein wichtiges Treibhausgas, durch das die Erde eine Temperatur hat, die für das Leben notwendig ist (>> Das Klima der Erde).

Entwicklung der Erdatmosphäre über die Erdgeschichte. Die Zeit seit dem Kambrium ist detaillierter dargestellt. Abb. nach >> Glaubrecht et al.

Mit den Gasen in der Atmosphäre (der “trockenen Luft”) mischt sich Wasserdampf; seine Konzentration in der Luft kann zwischen 0 und 4 Prozent liegen; durchschnittlich sind es etwa 0,25 Prozent. Wasserdampf hat ebenfalls einen Treibhauseffekt, vor allem aber beeinflussen die aus Wasserdampf bestehenden Wolken die Strahlungsbilanz der Erde (>> Das Klima der Erde). Bei der Bildung von Wolken spielen auch Partikel (kleine Staubkörner) eine wichtige Rolle: an ihnen kondensiert der Wasserdampf. Solche Partikel sind etwa Seesalz, Mineralien der Erdkruste, Ammoniumverbindungen, Sulfat und viele andere.

Die Schichtung der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist am Erdboden am dichtesten und wird nach oben hin immer dünner; sie geht fließend, ohne feste Grenze, in den Weltraum über. Die Atmosphäre ist nach ihrem Temperaturverlauf in Schichten eingeteilt. In der untersten Schicht, der Troposphäre, sind 90 Prozent der gesamten Luft und fast der gesamte Wasserdampf enthalten. Die Troposphäre ist an den Polen 8 Kilometer und in den Tropen gut 15 Kilometer dick. Nur im unteren Teil der Troposphäre ist für Menschen genug Sauerstoff zum Atmen vorhanden; in ihr spielt sich das Leben des Menschen und das Wettergeschehen ab: Hier wehen Winde, und hier breiten sich Wolken aus. Da die Troposphäre im Wesentlichen von der Erdoberfläche erwärmt wird, wird es in ihr nach oben hin immer kälter (um etwa 6,5 °C pro Kilometer), am oberen Ende kann es bis zu -55 °C kalt werden.

In der Troposphäre spielt sich das Leben
des Menschen und das Wetter ab.

Die Hauptschichten und der Temperaturverlauf in der Atmosphäre.

Die Troposphäre gestaltet das Klima der Erde

Energielieferant der Erde ist die Sonne; die Verteilung des durch die Sonnenstrahlung verdunsteten Wassers und zu einem großen Teil auch der Sonnenwärme über die Erde wird von den Winden in der Troposphäre geleistet: Damit gestaltet diese ganz wesentlich das Klima der Erde (im Detail ist dies auf der Seite >> Das Klima der Erde beschrieben).

Verteidigungslinien gegen Angriffe aus dem Weltall

In der Stratosphäre wird es wieder wärmer, da hier Ozon die kurzwellige Sonnenstrahlung absorbiert und sich dabei erwärmt. In dieser Ozonschicht sind ca. fünf Milliarden Tonnen Ozon verteilt, die die energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne abfangen. Nur die vergleichsweise energiearmen UV-A-Strahlen erreichen die Erdoberfläche; die energiereiche UV-B und UV-C-Strahlung wird abgefangen. Dabei wird Ozon in ein normales Sauerstoffmolekül und ein Sauerstoffatom zerlegt; beim Zusammentreffen eines Sauerstoffmoleküls und eines Sauerstoffatoms entsteht wieder Ozon, so dass diese Schutzschicht dabei erhalten bleibt. (Sie kann aber durch bestimmte Chemikalien wie FCKWs zerstört werden: siehe >> Das Ozonloch.)

In der Mesosphäre wird es dann erneut kälter, die Temperaturen sinken auf -110 °C. Zum Glück: In den kalten Regionen am oberen Ende der Troposphäre und der Mesosphäre friert Wasser aus. Die schweren Eiskristalle fallen zur Erde zurück - ohne dieses Ausfrieren würde der Wasserdampf weiter aufsteigen und schließlich in der Thermosphäre durch energiereiche Sonnenstrahlung zerlegt. Der dabei freigesetzte  Wasserstoff würde ins Weltall entweichen - die Erde hätte längst kein Wasser mehr. Die oberste Schicht, die Thermosphäre, absorbiert energiereiche kosmische Strahlung (mehr >> hier), daher werden dort sehr hohe Temperaturen erreicht. (Der obere Bereich der Mesosphäre und die Thermosphäre werden auch als Ionosphäre bezeichnet, da bei der Absorption der kosmischen Strahlung Ionen und Elektronen entstehen - hier wandern daher elektrische Ströme um die Erde. Durch die Mesosphäre ziehen sich zudem leuchtende elektrische Entladungen, die in “umgekehrter” Richtung von Gewitterwolken in die Höhe schießen.)

(Außerhalb der Atmosphäre gibt es noch eine weitere Verteidigungslinie: Die Magnetosphäre, die vom Erdmagnetfeld gebildet wird und den energiereichen Teilchenstrom von der Sonne um die Erde leitet, mehr >> hier.)

Die Atmosphäre im >> Konzert der Sphären

Der Stickstoff der Luft liegt zum größten Teil als reiner, molekularer Stickstoff vor; 99 Prozent des gesamten Stickstoffs auf der Erde finden sich in der Atmosphäre. Molekularer Stickstoff ist nicht sehr reaktiv; er wird nur bei Gewittern, in Vulkanen und von einigen Mikroorganismen chemisch gebunden und damit für die Biosphäre nutzbar gemacht. Der einmal gebundene Stickstoff wird dann in einem Stickstoffkreislauf der Biosphäre immer wieder recycelt; dieser Kreislauf wird über die Atmosphäre geschlossen: Destruenten setzen Ammoniumverbindungen frei, die sich in der Atmosphäre finden und von dort mit Niederschlägen ausgewaschen werden, so dass sie den Primärproduzenten wieder als Dünger dienen.

Beim Sauerstoff ist die Bindung mit der Biosphäre viel direkter: Er entsteht bei der Fotosynthese der Pflanzen (>> Das Leben)  und wird von allen atmenden Lebewesen für die Verbrennung von Nährstoffen verbraucht; über die Bildung von Kalziumcarbonat und Eisenoxyden steht dieser Kreislauf auch mit der Lithosphäre in Verbindung. Aus dem Luftsauerstoff entsteht auch das Ozon der stratosphärischen Ozonschicht.

Die Atmosphäre in uns

Wie untrennbar der Mensch ein Bestandteil seiner “Umwelt” ist, wird an der Atmosphäre am deutlichsten: Ohne Luft überleben wir nur wenige Minuten. Jeder Mensch atmet über 10.000 Liter Luft (etwa 13,5 Kilogramm) am Tag ein. Sie gelangen durch Mund und Nase über die Luftröhre und ihre Verästelungen (die Luftwege des Bronchialsystems) in die Lunge (obere Abbildung), wo in den Alveolen - das sind bläschenartige Erweiterungen am Ende der Luftwege (untere Abbildung) - der Sauerstoff aus der Luft in das Blut übergeht. Im Austausch dazu geht Kohlendioxid aus dem Blut in die Luft in der Lunge über, und wird beim Ausatmen aus dem Körper entfernt.

Die Atmung ist in der Regel ein unbewusster Prozess, der von einem der entwicklungsgeschichtlich ältesten Teile des Gehirns kontrolliert wird, und unter anderem sowohl durch Sauerstoffmangel als auch durch Übersäuerung des Blutes (ausgelöst durch zu viel gelöstes Kohlendioxid) beschleunigt wird. Sauerstoff brauchen wir für unseren Stoffwechsel (siehe >> hier).

Über den Gasaustausch stehen alle Lebewesen miteinander in Verbindung. Mehr noch: Der Harvard-Astronom Harlow Shapley hat einmal berechnet, dass wir - eine gleichmäßige Verteilung der ausgeatmeten Luft über die Erde vorausgesetzt - nach einem Jahr in einem Atemzug etwa 15 Moleküle des Edelgases Argon wiederfinden, die wir ein Jahr zuvor ausgeatmet haben. Über dieses System atmen wir heute auch Argonmoleküle ein, die einst William Shakespeare oder Napoleon eingeatmet haben - die Atmosphäre verbindet also auch alle Lebewesen miteinander ...

Und das ausgeatmete Kohlendioxid geht wieder in den Kohlenstoffkreislauf ein:

Aus dem Spurengas Kohlendioxid bauen Pflanzen Zucker und andere organische Bausteine auf. Diese organischen Stoffe sind Bestandteil des organischen Kohlenstoffkreislaufs, da sie etwa von Produzenten zu den Konsumenten übergehen. Geschlossen wird dieser organische Kohlenstoffkreislauf wieder über das Kohlendioxid der Atmosphäre. Daneben bestehen Langzeitspeicher für Kohlenstoff; der wichtigste ist Carbonatgestein mit ca. 60 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff (1 Gigatonne sind 1 Milliarde Tonnen; um Vergleich: die Atmosphäre enthält etwa 600 Gigatonnen Kohlendioxid). Dieser Langzeitspeicher steht über Sedimentation und Verwitterung im Austausch mit der Atmosphäre (zum Kohlenstoffkreislauf siehe auch >> hier; zur Bedeutung des Langzeitspeichers für die Klimageschichte siehe >> Das Rätsel der Erdfrühzeit).

Über den Wassergehalt steht die Atmosphäre schließlich mit der Hydrosphäre (dem Wasserkreislauf der Erde) in Verbindung. Diese Verbindungen und die Wechselbeziehungen des Ökosystems Erde ermöglichen komplexe Leistungen; eine der anschaulichsten Beispiele ist die Regulation des Erdklimas: >> Das Klima der Erde.

Die Erforschung der Luft

Als Galileo Galilei mit seiner Unterstützung für Kopernikus ins Blickfeld der Inquisition geriet und seine Himmelsstudien einstellen musste, wandte er sich der Luft zu. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden nicht ganz so berühmt wie seine Beobachtungen des Himmels, doch Galilei war der erste Mensch, der das Gewicht der Luft gemessen hat. Dass Luft etwas wiegt, hatte er herausgefunden, indem er mit Hilfe eines Blasebalgs durch eine Spritze in eine ansonsten dichte Glasflasche Luft hineinpresste: die Flasche wurde schwerer.
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Das globale Ökosystem - weiter mit:
>> Die Quelle des Lebens - die Hydrosphäre (Wasser)

Zur >> Übersicht.

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Was ist die Atmosphäre einfach erklärt?

Was sind die 5 Schichten der Atmosphäre?