Planetarische Gashüllen

Nicht nur Planeten, auch manche Monde sind von einer Gashülle umschlossen. Zu den vielen wichtigen Eigenschaften, die diese Gashüllen besitzen, zählt unter vielen anderen die Tatsache, daß eine auf der Erde Grundvoraussetzung für das Ent- und Bestehen von Leben ist (auch bzw. gerade für Leben, das nicht unmittelbar Atemluft benötigt wie z.B. unter dem Meer). Diese Seite soll unter anderem etwas Aufmerksamkeit auf das zerbrechliche Gleichgewicht, das in unserer Erdatmosphäre herrschen muß, und dessen Erhalt lenken.

Im folgenden Artikel wimmelt es zwar zunächst einmal nur so von Fremdwörtern, aber diese werden erklärt, und sie haben immer noch den Vorteil, daß nur für die jeweils erklärten Bedeutungen verwendet werden. Obwohl man sich an die Wörter erst gewöhnen muß, wird das Erklären und Verstehen damit trotzdem leichter.

Gashüllen um planetare Körper sind nichts Ungewöhnliches. Der Umfang der Gashüllen um verschiedene Körper kann aber sehr verschieden sein. So besitzen zum Beispiel der Planet Merkur, aber auch der Mond der Erde eine Gashülle, die aus reiner Exosphäre bestehen. Auch, wenn die Gashüllen also im Umfang sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können, sind sie doch immer ähnlich aufgebaut. Zwangsläufig bilden sich immer verschiedene Schichten mit teilweise dramatisch unterschiedlichen physikalischen und chemikalischen Eigenschaften. Man unterscheidet dabei in der Regel anhand der Temperaturverteilungen verschiedene Kugelschichten, sog. „Sphären“. Wie bereits aufgeführt besitzen auch einige Monde eine Atmosphäre, im folgenden werden wir aber nur von Planeten reden und stillschweigend daran denken, daß gleiches auch für Monde und deren Atmosphäre gilt.

Der Aufbau planetarer Gashüllen

• Untere Atmosphäre
• Die unterste Schicht jeder Atmosphäre ist die Troposphäre. Mit zunehmender Höhe sinkt die Temperatur ab. Die vorhandene Wärme geht hauptsächlich auf Vorgänge in den darunter liegenden Schichten (bei terrestrischen Planeten also von der Planetenoberfläche) zurück und wird zum größten Teil durch Konvektion und nicht nur durch Strahlung transportiert. Die Troposphäre endet an der Tropopause.
• Die Stratosphäre ist eigentlich eine Schicht gleichbleibender Temperatur, egal, ob man höhere oder tiefere Schichten in ihr untersucht. Die Einstrahlung und die Abstrahlung, auch in niedere Schichten der Atmosphäre, halten sich die Waage. Die Stratosphäre endet an der Stratopause.
  Auf der Erde spielt sich in der Stratosphäre ein seltsames (aber wichtiges) Schauspiel ab: Das Sauerstoff-Radikal O₃, auch bekannt als Ozon, absorbiert fast die gesamte restliche UV-Strahlung, die von der Sonne einstrahlt und höhere Schichten durchdringen konnte. Dieses Schauspiel bewirkt, daß mit zunehmender Höhe die Temperatur wieder ansteigt, aber damit nimmt die Erde eine Sonderrolle ein.

Die Wissenschaft, die sich mit den Vorgängen in der unteren Atmosphäre beschäftigt, ist die Meteorologie, nachdem sich in diesen beiden Schichten auf der Erde, aber auch auf allen anderen Planeten das gesamte Wettergeschehen abspielt.

• Höhere Atmosphäre
• Oberhalb der Stratopause schließt sich die Mesosphäre an. Mit zunehmender Höhe nimmt die Temperatur ab. Tatsächlich liegt der Punkt der niedrigsten Temperatur jeder Atmosphäre am oberen Ende der Mesosphäre, an der Mesopause.
• Nachdem die niedrigste Temperatur an der Mesopause herrscht, steigt in der nachfolgenden Thermosphäre die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder an. In dieser Schicht wird der Großteil der einstrahlenden UV-Strahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Thermosphäre endet an der Exobase oder Exobasis.
  Diese Regionen oberhalb der Mesopause, die mit der Thermosphäre beginnt, bezeichnet man auch als Ionosphäre.
• Die Exobase wird durch den Umstand gekennzeichnet, daß sich dort die Wahrscheinlichkeit, daß zwei Teilchen auf einander treffen, durch die mit zunehmender Höhe immer dünner werdende Atmosphäre auf e^-1 (etwa 0,3678) reduziert hat. Oberhalb der Exobase liegt die Exosphäre, die fließend in die Umgebung, das Interplanetare Medium, übergeht. Die Temperatur steigt mit zunehmender Höhe bis zur Temperatur des Mediums an.

Die Wissenschaft, die sich mit den chemischen und physikalischen Vorgängen in der höheren Atmosphäre beschäftigt, ist die Aeronomie. Die höhere Atmosphäre ist auch Schauplatz der navigatorischen Aerobremsung, die Treibstoff für Raumsonden zu sparen hilft. In dieser Region jeder Atmosphäre wird die Temperatur auch nicht mehr mit Thermometern gemessen (dies wäre wegen der dünnen Gasverteilung auch gar nicht mehr möglich), sondern vielmehr nur noch durch die Messung der Geschwindigkeit der Teilchen, die sich in diesem Bereich aufhalten.

Diese oben aufgeführte Einteilung ist aber in letzter Zeit etwas in Bewegung geraten. Speziell zur Erde finden sich immer öfter Aufteilungen, bei denen die untere Atmosphäre „nur“ aus der Troposphäre und der Tropopause besteht, eine mittlere Atmosphäre (bestehend aus Stratosphäre und Mesosphäre bis inklusive der Mesopause) und der oberen Atmosphäre, die sich dann ab der Thermosphäre bis zur Exosphäre erstreckt; entsprechend dieser jüngeren Einteilung würden die untere Atmosphäre der Troposphäre und die obere Atmosphäre der Ionosphäre entsprechen. Es kommt noch dazu, daß eine Stratosphäre nicht zwingend in jeder Planetenatmosphäre vorkommen muß, die mittlere Atmosphäre würde in diesem Fall der Mesosphäre entsprechen. Obwohl viel für diese neuere Einteilung spricht, werden wir uns im folgenden der alten Einteilung bedienen, weil sie immer noch in den wichtigsten Werken zum Thema Verwendung findet. Sie hat außerdem den Vorteil, daß sie für alle außer der irdischen Atmosphäre die maßgebliche ist.

Natürlich kann man die Atmosphäre auch nach chemikalischen Gesichtspunkten unterteilen. Da aber jede Atmosphäre aus anderen Materialien (also Gasen) besteht, wird diese Einteilung ausgesprochen einfach:

• In der Homosphäre ist die Zusammensetzung gleichmäßig und besitzt ein einheitliches Molekulargewicht. Dies geht auf Verwirbelungen und andere regionale Austauschvorgänge (in der Troposphäre durch Konvektion, in der Stratosphäre und darüber durch kleinräumige turbulente Zellen, sogenannte „Eddies“) zurück, die eine gleichmäßige Verteilung immer wieder herstellen. Sie endet an der Homopause.
• In der Heterosphäre hängt das Molekulargewicht von der Höhe ab. In dieser Höhe fangen auch Moleküle an, sich sozusagen selbsttätig aufzulösen und in die Elemente zu zerfallen, aus denen sie bestehen.

Zwischen den beiden Sphären liegt – wie schon erwähnt – die Homopause. Sie markiert den Bereich, ab dem nach außen der Gasdruck nicht mehr ausreicht, um die Dissoziation von Gasmolekülen (das ist das teilweise Aufteilen der Moleküle in ihre Bestandteile oder das Abspalten eines einzelnen Bestandteils) zu verhindern.

Nach diesem ersten Einblick in die Einteilung der Atmosphäre in Schichten widmen wir uns nun den einzelnen Schichten.

Eigenschaften der Sphären

Nachdem die Wissenschaft, die sich mit den Vorgängen in der unteren Atmosphäre und damit auch in der Troposphäre beschäftigt (nämlich die Meteorologie) in mehreren Semestern an Universitäten gelehrt wird, werden in ein paar Sätzen keineswegs einen vollständigen Einblick in alle wichtigen Aspekte erlangen können. Allerdings wollen wir uns wenigstens den allerwichtigsten Details kurz widmen.

Wärme gibt es in zwei Formen: Als Strahlungswärme in Form von elektromagnetischen Wellen einer bestimmten Wellenlänge (dem sogenannten „Infrarotbereich“) und als Bewegungswärme (Fachbegriff: „Braunsche Molekularbewegung“). Aus Sicht des Physikers ist das natürlich schon wieder viel zu sehr vereinfacht. Er ist der Meinung, daß Wärme nichts anderes als eine Energieform ist, die durch Bewegung oder Strahlung übertragen werden kann bzw. übertragen wird. Und damit sind wir schon mitten drin in der Meteorologie: Die Effekte, die Wärmeunterschiede in der Luft bewirken, stellen speziell auf der Erde unser Wetter dar.

Der Luftdruck, der an der Oberfläche eines Planeten herrscht, resultiert aus dem Gewicht, mit dem höhere Luftmassen auf die Gase in Bodennähe drücken. Ohne die Sonneneinstrahlung würde eine weitestgehend stabile, stehende Atmosphäre (verglichen mit der, die wir aus dem Alltag kennen) vorherrschen. Es strahlt aber nun die Sonne ständig auf die Erde ein, und sie erwärmt damit die Erdkruste unterschiedlich schnell. Wasser erwärmt sich zum Beispiel langsamer als Festland, und auch Gesteine, verschiedene Böden oder Pflanzen nehmen die Strahlungswärme der Sonne unterschiedlich schnell auf, geben sie aber genauso unterschiedlich schnell an die direkt darüber befindliche Luft wieder ab. Dies bewirkt, daß sich die Luft ausdehnt, damit an Dichte verliert und deshalb aufsteigt. Es entsteht ein Tiefdruckgebiet. Dieser Druck wird natürlich von umliegenden Luftmassen wieder ausgeglichen. Die aufsteigende Luft kann sich aber durch ihr Aufsteigen wieder ausdehnen, da in höheren Schichten innerhalb der Troposphäre ein geringerer Druck herrscht, und dabei abkühlen, was bewirkt, daß zum Beispiel Wasser (das bis dahin unsichtbar in der Luft gelöst war) kondensiert, also zu kleinen Tröpfchen wird. Diese Tröpfchen können sich an einander lagern, bis sie so schwer werden, daß sie von der Luft nicht mehr getragen werden können, und sie fallen – je nach Temperatur – als Regen oder Schnee zu Boden. Die Rolle des Niederschlags übernimmt auf der Erde wie geschildert Wasserdampf. Auf anderen Planeten können andere „größere“ Moleküle dieselbe Rolle übernehmen (typische Kandidaten dafür sind zum Beispiel Ammoniak NH₃, Methan CH₄ oder zum Beispiel auf dem Mars Kohlendioxid CO₂). Das Prinzip ist aber das gleiche.

Was für das Erwärmen gilt, stimmt natürlich auch beim Abkühlen. Fällt beispielsweise das Sonnenlicht als Energiezufuhr weg, dann kühlt sich die Landmasse schneller ab als beispielsweise die See. Die Luft über Land gibt ihre Wärme teilweise an den Boden ab und zieht sich dabei zusammen. Von oben strömen entsprechend neue Luftmassen nach, die aber jetzt durch ihren Abstieg in ein Gebiet mit höherem Druck und mit höheren Temperaturen geraten und entsprechend mehr Wasserdunst aufnehmen können als in der Höhe, aus der sie stammen. Es entsteht ein Hochdruckgebiet. Typisch dafür ist ein klarer Himmel und trockene Luft.

Bei diesen ganzen Luftbewegungen gibt es aber zwei wesentliche Nebeneffekte. Zum einen wird Wärme innerhalb der Troposphäre transportiert, und zwar hauptsächlich durch Luftströmungen (sogenannte Winde). Zum zweiten sorgt der Druck beziehungsweise der ständige Druckausgleich für eine ziemlich gleichmäßige Verteilung der Gase innerhalb der Troposphäre.

Trotz all dieser Vorgänge läßt sich natürlich dennoch eine Durchschnittstemperatur der Oberfläche (und damit der Atmosphäre an der Grenzfläche) feststellen. Die effektive Strahlungstemperatur kann man sogar exakt berechnen (allerdings mit einer Gleichung mit vielen interessanten Schnörkeln, die allesamt erklärt werden müssten und doch nur Leser abschreckt). Diese effektive Strahlungstemperatur (die sich rechnerisch aus der Einstrahlung von der Sonne, des Reflektionsvermögens der Planetenoberfläche und verschiedenen anderen Angaben oder Konstanten errechnet) entspricht aber nicht genau der tatsächlichen Temperatur in Bodennähe! Der Unterschied geht auf drei- oder mehratomige atmosphärische Bestandteile wie Kohlendioxid CO₂, Wasser(dampf) H₂O oder Methan CH₄ zurück, die von einstrahlenden elektromagnetischen Wellen in Schwingungen versetzt und damit erwärmt werden. Dieser Vorgang, der vor allem auf Venus und der Erde stattfindet, wird „Treibhauseffekt“ genannt und bedroht (von vielen unterschätzt) das Temperaturgleichgewicht vor allem auf der Erde! Welches Ausmaß der Treibhauseffekt annehmen kann, zeigen die Verhältnisse auf Venus überdeutlich:

Die Stratosphäre

In der Stratosphäre herrschen (im Vergleich zur turbulenten Troposphäre) langweilige Verhältnisse vor. Durch die darunterliegende Troposphäre bleibt die Stratosphäre von Aufwärm- oder Abkühleffekten der Planetenoberfläche praktisch verschont. Im wesentlichen richtet sich die Temperatur nach der ein- und wieder abstrahlenden Energie, die in dieser Schicht dem Umfang nach gleich groß sind. Normalerweise ist die Stratosphäre also eine Schicht, in der sich bestenfalls minimale Temperaturunterschiede messen lassen.

Dies ist auf der Erde (natürlich) ganz anders. In der Stratosphäre der Erde existiert Ozon, das als Filter von UV-Strahlen wirkt. Sobald aber Strahlung (in welcher Form auch immer sie einstrahlt) absorbiert wird, dann muß die von der Strahlung übertragene Energie natürlich umgewandelt werden, da sie nach dem Energieerhaltungssatz (einer der wichtigsten Aussagen der Physik) nicht einfach verschwinden kann. Und die „einfachste“ Form der Strahlungsenergieumwandlung ist das Erwärmen. Tatsächlich „fangen“ die Absorbenten (hier also das Ozon) die Strahlungsenergie nicht etwa ein, sie werden vielmehr durch die Strahlung buchstäblich angestoßen und bewegen sich schneller – die Temperatur steigt. Und da die höheren Schichten der Stratosphäre die gesamte Strahlung (der Stratosphäre) aufnimmt, tiefere Schichten der Stratosphäre aber nur noch das, was höhere Schichten „übrig gelassen“ haben, ist die Temperatur in der Stratosphäre der Erde eben nicht einheitlich, sondern je höher umso höher.

Ozon entsteht allerdings nicht nur in der Erdatmosphäre. Auch in Atmosphärenschichten anderer Körper ist Ozon zu finden, so zum Beispiel auf dem Mars. Ozon (das heißt zunächst einmal ein freies Sauerstoffatom) entsteht normalerweise durch sogenannte Dissoziation. So nennt man den Vorgang, bei dem sich von einem Molekül ein Bestandteil (also ein oder mehrere Atome) ablöst. Auf der Erde geschieht die Dissoziation von Ozon in den Schichten oberhalb der Tropopause (zur Erinnerung: Das ist die gedachte Trennschicht zwischen Tropo- und Stratosphäre) in der Regel durch das Auftreffen von ultravioletter Strahlung auf ein Sauerstoffmolekül, das in der Natur normalerweise aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Aus einem Sauerstoffmolekül O₂ werden also zwei freie Sauerstoffatome. Die beiden Sauerstoffatome (aus denen das Molekül besteht) trennen sich dabei keineswegs „freiwillig“, sondern sie werden von ankommenden Strahlen getrennt, weil sie deren Energie in sich aufnehmen – eben absorbieren. Im Fall der Erde ist das eine Strahlung mit einer Wellenlänge von unter 175 nm (Nanometer sind millionstel Millimeter). Das muß nicht immer zwangsläufig auf genau diese Weise geschehen: In der Marsatmosphäre entsteht beispielsweise Ozon hauptsächlich durch Dissoziation eines Sauerstoffatoms von einem Kohlendioxidmolekül CO₂ durch Strahlung einer Wellenlänge unter 167 nm.

So ein freies Sauerstoffatom lagert sich bei nächster Gelegenheit an „geeignete“ Moleküle an, das sind in der Regel Sauerstoff- oder Stickstoffmoleküle (O₂ bzw. N₂). Gerade diese Anlagerung an ein Sauerstoffmolekül spielt dabei auf der Erde eine immens wichtige Rolle: Ein an ein solches Sauerstoffmolekül angelagertes Sauerstoffatom absorbiert als Ganzes Strahlen einer anderen Wellenlänge als ein „normales“, einfaches Sauerstoffmolekül, nämlich die Strahlung im Bereich zwischen etwa 200 und 300 nm. Strahlung mit kürzeren Wellenlängen wird von kleineren Atomen absorbiert. Ozon stellt damit sicher, daß nicht zu viele Strahlen mit dieser Wellenlänge an der Erdoberfläche ankommen können. Dies ist deshalb so wichtig, weil die Säure, die die Erbinformationen in den Zellen aller Lebewesen auf der Erde trägt (die Desoxyribonukleïnsäure, abgekürzt DNS oder DNA), nur Strahlung absorbiert, die höchstens eine Wellenlänge von 260 nm hat. Anders ausgedrückt sorgt Ozon dafür, daß die Strahlen, die die Erbinformation gefährden können, nicht in die Nähe der Lebewesen an der Oberfläche kommen kann. Umso gefährlicher sind daher Atome oder Moleküle, die freien Sauerstoff zu chemischen Reaktionen anregen, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid NO, Chlor Cl, Brom Br, Wasserstoff H oder Hydroxid OH. Diese Gase bauen durch diese Anregung zur Reaktion das Ozon ab. Die unmittelbare Folge: Es können mehr Strahlen die Erdatmosphäre durchdringen, die von der DNS absorbiert werden, was die Erbinformationen verändern kann. Der menschliche Körper (und natürlich nicht nur der) wird aber ständig immer wieder durch Zellteilung erneuert. Ist dabei die Erbinformation bereits verändert, könnte es im schlimmsten Fall zu Mißbildungen oder Wucherungen (Krebs) kommen. Eine Veränderung der Erbinformation kann also nicht nur unseren Nachwuchs gefährden, sondern schon unser eigenes, persönliches Überleben!

Wie in der Einleitung schon ausgeführt sinkt die Temperatur innerhalb der Mesosphäre mit zunehmender Höhe. Dies liegt daran, daß bestimmte Moleküle die einstrahlende Sonnenenergie aufnehmen und wieder abstrahlen. Das Abstrahlen ist dabei natürlich nicht (wie das Einstrahlen, das natürlich von außen nach innen, auf die Atmosphäre bezogen also von oben nach unten) in eine bestimmte Richtung gerichtet. Zu der noch nicht absorbierten Strahlungsenergie kommt also noch die zwar schon einmal absorbierte, aber zufällig wieder in dieselbe Richtung abgestrahlte Energie. Der Energiegehalt steigt (entsprechend der Richtung der Sonnenstrahlung) also von oben nach unten an. Betrachtet man das Schauspiel in der Gegenrichtung, nimmt also der Energiegehalt (und damit die Wärme) ab.

Die Absorption übernehmen dabei verschiedene Gase. Im inneren Sonnensystem sind dies hauptsächlich Kohlendioxid-Atome, im äußeren sind dies Ammoniak NH₃, Methan CH₄ und andere Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Ethan C₂H₆ oder Propan C₃H₈.

Bei der Besprechung der Thermosphäre gibt es nun Physik satt. In der Regel liegt die Thermosphäre nämlich komplett in der Heterosphäre, also in der Höhe, in der Moleküle schon fast selbständig zerfallen, weil „die Luft so dünn ist“. Der Luftdruck (und damit so ziemlich alles, was wir uns direkt mit Luftballons oder anderen Hilfsmitteln direkt vor Augen führen können) wird plötzlich so unwichtig, daß er praktisch keine Rolle mehr spielt.

Wird noch erweitert...

Mehr über Atmosphären

• Jede Menge Informationen am Deutschen Klimarechenzentrum

Anmerkungen

• Sauerstoff-Radikal: Unter einem Sauerstoff-Radikal versteht man ein einzelnes Sauerstoff-Atom. Unter normalen Bedingungen lagert sich in der Erdatmosphäre ein solches einzelnes Sauerstoff-Atom sehr schnell an ein Sauerstoff-Molekül (O₂) an. Praktisch kommt ein freies Sauerstoff-Atom in der Natur in Bodennähe daher nicht vor. Die übliche Abkürzung für das Sauerstoff-Radikal ist ein einfaches O mit einem hochgestellten Stern („O^*“). Der Stern lehnt sich an die übliche Kennzeichnung sogenannter Ionen an, die mit ihrer elektrische Ladung gekennzeichnet werden. Ein Radikal ist zwar nicht elektrisch geladen, es reagiert aber unter Umständen sogar schneller (bzw. leichter) als geladene Partikel, die sich durch ihre gegensätzliche Ladung anziehen.
• Wärme: Unter Wärme versteht der Physiker eine Energieform, die zwar aus Bewegung besteht, aber nichts mit der „klasssischen“ (sogenannten kinetischen) Bewegungsenergie zu tun hat. Vielleicht erinnert sich der eine oder andere noch an einen Versuch im Physikunterricht. Unter einem Mikroskop werden Teilchen bei verschiedenen Temperaturen betrachtet. Ziel des Versuchs ist es festzustellen, daß sich die Teilchen umso schneller bewegen, je wärmer sie sind. Man nennt diesen Umstand, daß Wärme der Geschwindigkeit von frei beweglichen Teilchen entspricht, die Braunsche Molekularbewegung.
  Der Transport von Wärme kann im wesentlichen auf drei verschiedene Arten vonstatten gehen. Zum einen gibt es da die Übertragung der Wärme sozusagen auf direktem Wege, indem sich die beweglichen Teilchen gegenseitig anstoßen und dadurch die Wärmeenergie übertragen. Desweiteren gibt es dann noch die Konvektion, bei der (bezogen auf Atmosphären oder Flüssigkeiten) ganze Luft- oder Flüssigkeitspakete in Bewegung geraten, in der Regel deshalb, weil sie sich mit zunehmender Temperatur durch die gegenseitige Anstöße ausdehnen und dadurch die Dichte abnimmt (d.h. sie werden leichter). Die dritte und letzte Möglichkeit besteht aus Strahlung. Elektromagnetische Wellen im sogenannten Infrarot-Bereich regen zwangsläufig die Materie, auf die sie treffen (und von der sie absorbiert werden), zu Schwingungen an und damit zu dieser Braunschen Molekularbewegung an – eben Wärme übertragen.

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