Atmosphärentemperatur
Das vertikale Temperaturprofil
Die Rolle der Sonne bei der atmosphärischen Temperatur
Der Treibhauseffekt
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Die Temperatur der Erdatmosphäre variiert mit der Entfernung vom Äquator (Breitengrad) und der Höhe über der Oberfläche (Höhe). Sie ändert sich auch mit der Zeit, variiert von Jahreszeit zu Jahreszeit und von Tag zu Nacht sowie unregelmäßig durch vorbeiziehende Wettersysteme. Werden die lokalen Schwankungen jedoch auf globaler Basis gemittelt, ergibt sich ein Muster globaler Durchschnittstemperaturen. Vertikal wird die Atmosphäre in vier Schichten unterteilt: die Troposphäre, die Stratosphäre, die Mesosphäre und die Thermosphäre.
Das vertikale Temperaturprofil
Wenn man die atmosphärischen Temperaturen über alle Breitengrade und über ein ganzes Jahr hinweg mittelt, erhält man das durchschnittliche vertikale Temperaturprofil, das als Standardatmosphäre bekannt ist. Das durchschnittliche vertikale Temperaturprofil lässt vier verschiedene Schichten erkennen (Abbildung 1). In der ersten Schicht, der so genannten Troposphäre, sinkt die durchschnittliche atmosphärische Temperatur von ihrem Wert an der Oberfläche, etwa 290 K (63°F; 17°C), stetig ab und erreicht ein Minimum von etwa 220 K (-64°F; -53°C) in einer Höhe von etwa 10 km. Diese als Tropo-Pause bezeichnete Höhe liegt knapp über der Reiseflughöhe von Verkehrsflugzeugen. Die Temperaturabnahme mit der Höhe, die so genannte Stornorate, ist in der gesamten Troposphäre mit 43,7°F (6,5°C) pro 1 km (0,6 mi) nahezu konstant. An der Tropopause nimmt die Stornorate abrupt ab. Die atmosphärische Temperatur ist auf den nächsten 20 km nahezu konstant und beginnt dann mit zunehmender Höhe bis etwa 50 km zu steigen. Dieser Bereich mit steigenden Temperaturen ist die Stratosphäre. Am oberen Ende dieser Schicht, der so genannten Stratopause, sind die Temperaturen fast so warm wie an der Oberfläche. Zwischen ca. 50-80 km liegt die Mesosphäre, in der die Temperatur der Atmosphäre mit der Höhe wieder abnimmt und am oberen Ende der Schicht (der Mesopause) in ca. 80 km Höhe ein Minimum von 180 K (-136 °F; -93 °C) erreicht. Oberhalb der Mesopause befindet sich die Thermosphäre, die, wie der Name schon sagt, eine Zone mit hohen Gastemperaturen ist. In der sehr hohen Thermosphäre (etwa 500 km über der Erdoberfläche) können die Gastemperaturen zwischen 500 und 2.000 K (441-3.141°F; 227-1.727°C) erreichen. Die Temperatur ist ein Maß für die Energie der Bewegung der Gasmoleküle. Obwohl sie eine hohe Energie haben, sind die Moleküle in der Thermosphäre in sehr geringer Anzahl vorhanden, weniger als ein Millionstel der Menge, die im Durchschnitt an der Erdoberfläche vorhanden ist.
Die Temperatur der Atmosphäre kann auch als Funktion des Breitengrades und der Höhe aufgetragen werden. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen solche Diagramme mit dem Breitengrad als x-Koordinate und der Höhe als y-Koordinate.
Die Rolle der Sonne für die atmosphärische Temperatur
Der größte Teil der Sonnenstrahlung wird als sichtbares Licht emittiert, mit kleineren Anteilen bei kürzeren Wellenlängen (ultraviolette Strahlung) und längeren Wellenlängen (Infrarotstrahlung oder Wärme). Nur ein geringer Teil des sichtbaren Lichts wird von der Atmosphäre absorbiert (obwohl ein Teil von den Wolken in den Weltraum zurückgeworfen wird), so dass der größte Teil dieser Energie von der Erdoberfläche absorbiert wird. Die Erde wird dabei erwärmt und strahlt Wärme (Infrarotstrahlung) nach oben ab. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre, und so wie man sich erwärmt, wenn man näher an einem Feuer steht, sind die Luftschichten, die der Oberfläche am nächsten sind, am wärmsten.
Nach dieser Erklärung müsste die Temperatur mit der Höhe kontinuierlich abnehmen. Abbildung 1 zeigt jedoch, dass die Temperatur in der Stratosphäre mit der Höhe zunimmt. In der Stratosphäre befindet sich fast das gesamte Ozon der Atmosphäre. Ozon (O3) und molekularer Sauerstoff (O2) absorbieren den größten Teil der kurzwelligen Ultraviolettstrahlung der Sonne. Dabei werden sie auseinandergerissen und bilden sich ständig neu. Das Ergebnis ist, dass die Ozonmoleküle die ultraviolette Strahlung in Wärmeenergie umwandeln, wodurch sich die Schicht aufheizt und das in der Stratosphäre beobachtete ansteigende Temperaturprofil entsteht.
In der Mesosphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe wieder ab. Die Thermosphäre ist jedoch einer sehr energiereichen, kurzwelligen ultravioletten und röntgenförmigen Sonnenstrahlung ausgesetzt. Da die Atome oder Moleküle auf dieser Ebene einen Teil dieser Energie absorbieren, werden sie ionisiert
(ihnen wird ein Elektron entzogen) oder dissoziiert (Moleküle werden in ihre einzelnen Atome aufgespalten). Die Gasschicht wird durch diesen Energiebeschuss stark aufgeheizt, vor allem in Zeiten, in denen die Sonne große Mengen kurzwelliger Strahlung aussendet.
Der Treibhauseffekt
Die Sonnenenergie ist nicht die einzige Determinante der atmosphärischen Temperatur. Wie bereits erwähnt, absorbiert die Erdoberfläche die Sonnenstrahlung im sichtbaren Bereich.
SCHLÜSSELBEZEICHNUNGEN
Treibhauseffekt – Die Erwärmung der Erdatmosphäre infolge der Aufnahme von Wärme, die von der Erde durch bestimmte Gase in der Atmosphäre zurückgestrahlt wird.
Infrarotstrahlung – Strahlung, die dem sichtbaren Licht ähnelt, aber eine etwas längere Wellenlänge hat.
Lapse-Rate – Die Rate, mit der sich die Atmosphäre mit zunehmender Höhe abkühlt, angegeben in Grad C pro Kilometer.
Mesosphäre – Die dritte Schicht der Atmosphäre, die zwischen etwa 50 und 80 Kilometern Höhe liegt und durch eine geringe Lapse-Rate gekennzeichnet ist.
Stratosphäre – Eine Schicht der oberen Atmosphäre oberhalb einer Höhe von 8-17 km, die sich je nach Jahreszeit und Breitengrad bis etwa 50 km erstreckt. In der Stratosphäre ändert sich die Lufttemperatur nur wenig mit der Höhe, und es gibt nur wenige konvektive Luftströmungen.
Thermosphäre – Die oberste Schicht der Atmosphäre, die bei etwa 80 km beginnt und sich über Hunderte von Kilometern bis in den Weltraum erstreckt. Aufgrund des Bombardements durch sehr energiereiche Sonnenstrahlung kann diese Schicht sehr hohe Gastemperaturen aufweisen.
Troposphäre – Die Luftschicht bis zu 24 km über der Erdoberfläche, auch als untere Atmosphäre bezeichnet.
Ultraviolettstrahlung – Strahlung, die dem sichtbaren Licht ähnelt, aber von kürzerer Wellenlänge und damit höherer Energie ist.
Röntgenstrahlung – Lichtstrahlung mit kürzeren Wellenlängen als das kürzeste Ultraviolett; sehr energiereich und schädlich für lebende Organismen.
Infrarotstrahlung wird ins All zurückgestrahlt. Mehrere atmosphärische Gase absorbieren diese Wärmestrahlung und strahlen sie in alle Richtungen zurück, auch in Richtung der Erdoberfläche. Diese so genannten Treibhausgase fangen also die Infrarotstrahlung in der Atmosphäre ein und erhöhen deren Temperatur. Zu den wichtigsten Treibhausgasen gehören Wasserdampf (H2 O), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Man schätzt, dass die Oberflächentemperatur der Erde ohne Treibhausgase im Durchschnitt etwa 32 °C (90°F) kühler wäre. Da diese Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, wäre der Planet ohne den Treibhauseffekt viel weniger lebensfreundlich.
Treibhausgase sind zwar für das Leben auf dem Planeten unerlässlich, aber mehr ist nicht unbedingt besser. Seit dem Beginn der industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhunderts hat der Mensch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe immer größere Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben. Der in der Fernatmosphäre gemessene Kohlendioxidgehalt hat seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1958 kontinuierlich zugenommen. Wenn dieser Anstieg mit einem entsprechenden Anstieg der atmosphärischen Temperatur einhergeht, könnte dies dazu führen, dass die Polkappen schmelzen und die Meere anschwellen, so dass Küstenstädte vom Meer bedeckt werden, dass es zu Klimaverschiebungen kommt, die möglicherweise zu Aussterbeerscheinungen führen, und dass sich die Wind- und Wettermuster auf unvorhersehbare Weise ändern, was die Landwirtschaft vor große Herausforderungen stellt. Die Vorhersage der Veränderungen, die ein erhöhter Gehalt an Treibhausgasen mit sich bringen kann, ist kompliziert. Die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen, den Kontinenten und den Eiskappen ist nicht vollständig geklärt. Es ist zwar bekannt, dass ein Teil des ausgestoßenen Kohlendioxids von den Ozeanen absorbiert und schließlich als Karbonatgestein (z. B. Kalkstein) abgelagert wird, aber es ist nicht bekannt, ob dies ein stetiger Prozess ist oder ob er mit dem derzeitigen Niveau der Kohlendioxidproduktion Schritt halten kann.