Druck, Dichte und Temperatur

Die Struktur der Erdatmosphäre läßt sich am einfachsten anhand des vertikalen Druck-, Dichte- und Temperturverlaufes analysieren. Aber auch die Kenntnis der idealen Gasgleichung erweist sich als wichtig.

Druck und Masseverteilung

Mit zunehmender Höhe nimmt sowohl der Druck als auch die Dichte der Erdatmosphäre stark ab, genau genommen gemäß eines exponentiellen Zusammenhanges. Im Meeresniveau liegt der mittlere Atmosphärendruck bei 1013,25 hPa (1 Pa = 1 N / Quadratmeter und 1 hPa = 100 Pa). In 5,5km Höhe beträgt er nur noch rund 500 hPa, in 7 km nur noch etwa 350 hPa und in etwa 30 km Höhe ist er bereits auf ca. 10 hPa abgefallen.

Diese Tatsache macht deutlich, daß sich etwa 99% der gesamten Luftmasse in einer nur 30 km mächtigen Schicht oberhalb des Erdboden befinden. Wenn man bedenkt, daß die Erde einen mittleren Durchmesser von etwa 12800 km hat, so wird deutlich, daß man sich die Erdatmosphäre als eine äußerst dünne "Haut" vorstellen kann, die den Planeten umgibt.

Foto: Die Temperaturabnahme mit der Höhe innerhalb der Troposphäre bewirkt, dass selbst in den Subtropen, wie hier im Zagros Gebirge in Persien, hohe Berggipfel schneebedeckt sind.

Die barometrische Höhenstufe

Für praktische Zwecke existiert eine Faustregel, die man sich leicht merken kann:

Im Flachland, d.h. in Höhenlagen nur wenig über NN (Normal-Null) nimmt der Druck pro 8 Meter Höhenzunahme um ziemlich genau 1 hPa ab. Diese Höhendifferenz bezeichnet man auch als die barometrische Höhenstufe. Im Hochgebirge erfolgt die Druckabnahme langsamer. Zum Beispiel beträgt die barometrische Höhenstufe in 5500 Meter Höhe schon 16 Meter. ACHTUNG: Dazwischen darf aufgrund des exponentiellen Zusammenhanges nicht linear interpoliert werden!

Die ideale Gasgleichung

Der Druck ist über die ideale Gaszustandsgleichung pV=nRT (wobei p der Druck, V das Volumen, n die Anzahl der Mole der Luft, R die mittlere ideale Gaskonstante für das Gasgemisch Luft und T die Temperatur sind) an das Volumen und die Temperatur gekoppelt.

Läßt man ein Luftpaket aus einer bestimmten Höhe eine zeitlang absinken (wobei die Ursache dieses Absinkvorganges hier keine Rolle spielen möge), so gerät es unter zunehmenden Druck und verringert aufgrund seiner Kompressibilität sein Volumen. Da in der Gaszustandsgleichung n und R konstante Größen sind, muß sich die Temperatur so um einen Betrag erhöhen, daß die Gasgleichung erfüllt bleibt. Dies ist ein Grund dafür, warum es in Bodennähe wärmer ist als in der Höhe. Der zweite Grund liegt in der diabatischen Erwärmung der unteren Luftschichten durch Wärmeflüsse vom Untergrund an die bodennahen Luftschichten. Die stark absorbierende Erdoberfläche gibt also ihre Wärme an die bodennahen Luftschichten ab, wodurch letztere erwärmt werden.

Die Temperatur in größeren Höhen

Dennoch darf daraus nicht voreilig geschlossen werden, daß die Temperatur in der gesamten Atmosphäre mit der Höhe immer weiter abnimmt. Im Gegenteil! Bereits in einer Höhe von nur etwa 10 Kilometern in mittleren Breiten bleibt die Temperatur weitgehend konstant (bei etwa -55°C) bzw. nimmt mit weiterer Höhenzunahme sogar wieder zu. Die Höhe, ab der die Temperatur nicht mehr weiter mit der Höhe abnimmt, bezeichnet man als Tropopause.

Die Schicht, in der die Temperatur oberhalb der Tropopause wieder zunimmt, wird als Stratosphäre bezeichnet. Die Stratosphäre reicht bis in Höhen von etwa 50 Kilometer hinauf. Der Grund für diese Temperaturzunahme ist die Absorption kurzwelliger ultravioletter Strahlung durch Ozonmoleküle. Die maximale Absorption findet dabei in einer Höhe von etwa 30 Kilometern statt. In der über der Stratosphäre liegenden Mesosphäre nimmt die Temperatur dann wieder ab, bis sie in etwa 80 Kilometer Höhe erneut konstant bleibt und danach wieder in der Thermosphäre kräftig auf bis auf +2000°C je nach Sonnenaktivität ansteigt.

Hinweis: Die Temperatur wird als Zustandsgröße in der klassischen Thermodynamik über die mittlere Bewegungsenergie der Moleküle definiert. Da jedoch, wie oben bereits angedeutet, die Luftdichte in einer Höhe von über 100 Kilometern verschwindend gering ist, läßt sie sich nicht problemlos mit Temperaturwerten auf Meeresniveau vergleichen.

Die Struktur der Erdatmosphäre im Überblick

Die folgende Abbildung zeigt noch einmal die Struktur der Erdatmosphäre im Überblick:

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