Erdplanet

Atmosphäre

Die Erde ist von einer relativ dünnen Atmosphäre (allgemein Luft genannt) umgeben, die aus einem Gemisch von Gasen besteht, hauptsächlich aus molekularem Stickstoff (78 Prozent) und molekularem Sauerstoff (21 Prozent). Ebenfalls vorhanden sind viel geringere Mengen an Gasen wie Argon (fast 1 Prozent), Wasserdampf (durchschnittlich 1 Prozent, aber zeitlich und örtlich sehr unterschiedlich), Kohlendioxid (0,0395 Prozent [395 ppm] und derzeit steigend), Methan (0,00018 Prozent [1,8 ppm] und derzeit steigend) und andere, zusammen mit winzigen festen und flüssigen Partikeln in Suspension.

Geoid: Bestimmung der Erdfigur

Die Idee, dass die Erde kugelförmig ist, wird normalerweise Pythagoras (blühendes 6. Jahrhundert v. Chr.) Und

Da die Erde im Vergleich zu den Riesenplaneten ein schwaches Gravitationsfeld (aufgrund ihrer Größe) und warme atmosphärische Temperaturen (aufgrund ihrer Nähe zur Sonne) aufweist, fehlen ihr die häufigsten Gase im Universum, die sie besitzen: Wasserstoff und Helium. Während sowohl die Sonne als auch der Jupiter überwiegend aus diesen beiden Elementen bestehen, konnten sie auf der frühen Erde nicht lange zurückgehalten und schnell in den interplanetaren Raum verdampft werden. Der hohe Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre ist ungewöhnlich. Sauerstoff ist ein hochreaktives Gas, das unter den meisten Planetenbedingungen mit anderen Chemikalien in der Atmosphäre, Oberfläche und Kruste kombiniert wird. Es wird in der Tat kontinuierlich durch biologische Prozesse geliefert; Ohne Leben gäbe es praktisch keinen freien Sauerstoff. Die 1,8 ppm Methan in der Atmosphäre befinden sich ebenfalls weit außerhalb des chemischen Gleichgewichts mit der Atmosphäre und der Kruste: Auch sie sind biologischen Ursprungs, wobei der Beitrag menschlicher Aktivitäten andere bei weitem überwiegt.

Die Gase der Atmosphäre erstrecken sich von der Erdoberfläche bis zu Höhen von Tausenden von Kilometern und verschmelzen schließlich mit dem Sonnenwind - einem Strom geladener Teilchen, der aus den äußersten Regionen der Sonne nach außen fließt. Die Zusammensetzung der Atmosphäre ist mit einer Höhe bis zu einer Höhe von etwa 100 km (60 Meilen) mehr oder weniger konstant, mit besonderen Ausnahmen sind Wasserdampf und Ozon.

Die Atmosphäre wird üblicherweise in Form unterschiedlicher Schichten oder Regionen beschrieben. Der größte Teil der Atmosphäre konzentriert sich auf die Troposphäre, die sich je nach Breitengrad und Jahreszeit von der Oberfläche bis zu einer Höhe von etwa 10 bis 15 km erstreckt. Das Verhalten der Gase in dieser Schicht wird durch Konvektion gesteuert. Dieser Prozess beinhaltet die turbulenten, umkippenden Bewegungen, die sich aus dem Auftrieb der oberflächennahen Luft ergeben, die von der Sonne erwärmt wird. Die Konvektion hält einen abnehmenden vertikalen Temperaturgradienten - dh einen Temperaturabfall mit der Höhe - von ungefähr 6 ° C (10,8 ° F) pro km durch die Troposphäre aufrecht. An der Spitze der Troposphäre, die als Tropopause bezeichnet wird, sind die Temperaturen auf etwa –80 ° C (–112 ° F) gefallen. Die Troposphäre ist die Region, in der fast der gesamte Wasserdampf vorhanden ist und im Wesentlichen das gesamte Wetter auftritt.

Die trockene, zarte Stratosphäre liegt über der Troposphäre und erstreckt sich bis zu einer Höhe von etwa 50 km. Konvektionsbewegungen sind in der Stratosphäre schwach oder fehlen; Bewegungen neigen stattdessen dazu, horizontal ausgerichtet zu sein. Die Temperatur in dieser Schicht steigt mit der Höhe.

In den Regionen der oberen Stratosphäre wird durch Absorption von ultraviolettem Licht von der Sonne molekularer Sauerstoff (O ₂) abgebaut. Die Rekombination einzelner Sauerstoffatome mit O ₂ -Molekülen zu Ozon (O ₃) erzeugt die schützende Ozonschicht.

Oberhalb der relativ warmen Stratopause befindet sich die noch dünnere Mesosphäre, in der die Temperaturen mit der Höhe wieder auf 80 bis 90 km über der Oberfläche sinken, wo die Mesopause definiert ist. Die dort erreichte Mindesttemperatur ist je nach Jahreszeit sehr unterschiedlich. Die Temperaturen steigen dann mit zunehmender Höhe durch die darüber liegende Schicht, die als Thermosphäre bekannt ist. Ebenfalls oberhalb von etwa 80 bis 90 km gibt es einen zunehmenden Anteil geladener oder ionisierter Partikel, die ab dieser Höhe die Ionosphäre definieren. Spektakuläre sichtbare Auroren werden in dieser Region, insbesondere entlang ungefähr kreisförmiger Zonen um die Pole, durch die Wechselwirkung von Stickstoff- und Sauerstoffatomen in der Atmosphäre mit episodischen Ausbrüchen von energetischen Partikeln erzeugt, die von der Sonne stammen.

Die allgemeine atmosphärische Zirkulation der Erde wird von der Energie des Sonnenlichts angetrieben, die in äquatorialen Breiten häufiger vorkommt. Die Bewegung dieser Wärme in Richtung der Pole wird stark von der schnellen Rotation der Erde und der damit verbundenen Coriolis-Kraft in den vom Äquator entfernten Breiten beeinflusst (wodurch der Windrichtung eine Ost-West-Komponente hinzugefügt wird), was zu mehreren Zellen zirkulierender Luft in jeder führt Hemisphäre. Instabilitäten (Störungen in der atmosphärischen Strömung, die mit der Zeit zunehmen) erzeugen die charakteristischen Hochdruckgebiete und Niederdruckstürme der mittleren Breiten sowie die schnellen, sich nach Osten bewegenden Strahlströme der oberen Troposphäre, die die Wege der Stürme leiten. Die Ozeane sind massive Wärmespeicher, die Schwankungen der globalen Temperaturen der Erde weitgehend ausgleichen, aber ihre sich langsam ändernden Strömungen und Temperaturen beeinflussen auch Wetter und Klima, wie beim Wetterphänomen El Niño / Southern Oscillation (siehe Klima: Zirkulation, Strömungen, und Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre; Klima: El Niño / Südoszillation und Klimawandel).

Die Erdatmosphäre ist kein statisches Merkmal der Umwelt. Vielmehr hat sich seine Zusammensetzung im Laufe der geologischen Zeit im Einklang mit dem Leben entwickelt und ändert sich heute schneller als Reaktion auf menschliche Aktivitäten. Etwa in der Mitte der Erdgeschichte begann sich durch die Photosynthese durch Cyanobakterien (siehe Blaualgen) und die Sättigung natürlicher Oberflächensenken von Sauerstoff (z. B. relativ sauerstoffarme Mineralien und Wasserstoff) die ungewöhnlich hohe Menge an freiem Sauerstoff in der Atmosphäre zu entwickeln. reiche Gase aus Vulkanen). Durch die Ansammlung von Sauerstoff konnten sich komplexe Zellen entwickeln, die während des Stoffwechsels Sauerstoff verbrauchen und aus denen alle Pflanzen und Tiere bestehen (siehe Eukaryoten).

Das Erdklima an jedem Ort variiert mit den Jahreszeiten, aber es gibt auch längerfristige Schwankungen des globalen Klimas. Vulkanexplosionen wie der Ausbruch des Mount Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 können große Mengen an Staubpartikeln in die Stratosphäre injizieren, die jahrelang suspendiert bleiben, die atmosphärische Transparenz verringern und weltweit zu einer messbaren Abkühlung führen. Viel seltenere, gigantische Einflüsse von Asteroiden und Kometen können noch tiefgreifendere Auswirkungen haben, einschließlich einer starken Reduzierung des Sonnenlichts über Monate oder Jahre, wie viele Wissenschaftler glauben, die zum Massensterben lebender Arten am Ende der Kreidezeit, 66 Millionen Jahre, geführt haben vor. (Weitere Informationen zu den Risiken kosmischer Einflüsse und den Chancen ihres Auftretens finden Sie unter Gefahr durch Einschläge auf die Erde.) Die vorherrschenden Klimaschwankungen, die in der jüngsten geologischen Aufzeichnung beobachtet wurden, sind die Eiszeiten, die mit Schwankungen der Neigung der Erde und ihrer Umlaufbahn verbunden sind Geometrie in Bezug auf die Sonne.

Die Physik der Wasserstofffusion lässt Astronomen zu dem Schluss kommen, dass die Sonne in der frühesten Geschichte der Erde 30 Prozent weniger leuchtete als heute. Wenn alle anderen gleich sind, sollten die Ozeane gefroren sein. Beobachtungen der planetaren Nachbarn der Erde, Mars und Venus, und Schätzungen des derzeit in der Erdkruste eingeschlossenen Kohlenstoffs legen nahe, dass in früheren Perioden viel mehr Kohlendioxid in der Erdatmosphäre vorhanden war. Dies hätte die Erwärmung der Oberfläche durch den Treibhauseffekt verbessert und es den Ozeanen ermöglicht, flüssig zu bleiben.

Heute ist in der Erdkruste 100.000 Mal mehr Kohlendioxid in Karbonatgesteinen vergraben als in der Atmosphäre, im scharfen Gegensatz zur Venus, deren atmosphärische Entwicklung einen anderen Verlauf nahm. Auf der Erde ist die Bildung von Karbonatschalen durch Meereslebewesen der Hauptmechanismus für die Umwandlung von Kohlendioxid in Karbonate. Abiotische Prozesse mit flüssigem Wasser produzieren ebenfalls Carbonate, wenn auch langsamer. Auf der Venus hatte das Leben jedoch nie die Chance, sich zu entwickeln und Karbonate zu erzeugen. Aufgrund der Lage des Planeten im Sonnensystem erhielt die frühe Venus trotz der damals schwächeren jungen Sonne 10 bis 20 Prozent mehr Sonnenlicht als auf die Erde fällt. Die meisten Planetenwissenschaftler glauben, dass die daraus resultierende erhöhte Oberflächentemperatur die Kondensation von Wasser zu einer Flüssigkeit verhinderte. Stattdessen blieb es als Wasserdampf in der Atmosphäre, der wie Kohlendioxid ein effizientes Treibhausgas ist. Zusammen führten die beiden Gase zu einem noch höheren Anstieg der Oberflächentemperaturen, so dass riesige Mengen Wasser in die Stratosphäre entweichen konnten, wo es durch ultraviolette Sonnenstrahlung dissoziiert wurde. Unter Bedingungen, die jetzt zu heiß und trocken sind, um die Bildung von abiotischem Carbonat zu ermöglichen, blieb der größte Teil oder der gesamte Kohlenstoffbestand des Planeten als Kohlendioxid in der Atmosphäre. Modelle sagen voraus, dass die Erde in einer Milliarde Jahren dasselbe Schicksal erleiden könnte, wenn die Sonne ihre gegenwärtige Helligkeit um 10 bis 20 Prozent überschreitet.

Zwischen den späten 1950er Jahren und dem Ende des 20. Jahrhunderts stieg die Menge an Kohlendioxid in der Erdatmosphäre aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe (z. B. Kohle, Öl und Erdgas) und der Zerstörung tropischer Regenwälder um mehr als 15 Prozent, wie das des Amazonas-Beckens. Computermodelle sagen voraus, dass eine Netto-Verdoppelung von Kohlendioxid bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts zu einer globalen Erwärmung von 1,5 bis 4,5 ° C (2,7 bis 8,1 ° F) führen könnte, die über den Planeten gemittelt wird und tiefgreifende Auswirkungen auf den Meeresspiegel haben würde Landwirtschaft. Obwohl diese Schlussfolgerung von einigen mit der Begründung kritisiert wurde, dass die bisher beobachtete Erwärmung nicht mit der Projektion Schritt gehalten hat, deuten Analysen der Meerestemperaturdaten darauf hin, dass ein Großteil der Erwärmung im 20. Jahrhundert tatsächlich in den Ozeanen selbst stattgefunden hat - und wird schließlich in der Atmosphäre erscheinen.

Ein weiteres aktuelles Problem in Bezug auf die Atmosphäre ist der Einfluss menschlicher Aktivitäten auf die Ozonschicht in der Stratosphäre. Bei komplexen chemischen Reaktionen mit Spuren künstlicher Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) wurden Mitte der 1980er Jahre während der Polarquelle vorübergehende Löcher in der Ozonschicht, insbesondere über der Antarktis, erzeugt. Noch beunruhigender war die Entdeckung eines zunehmenden Ozonabbaus in den dicht besiedelten gemäßigten Breiten, da festgestellt wurde, dass die kurzwellige ultraviolette Strahlung, die die Ozonschicht effektiv absorbiert, Hautkrebs verursacht. Internationale Vereinbarungen zur Einstellung der Produktion der ungeheuerlichsten ozonzerstörenden FCKW werden den Abbau schließlich stoppen und umkehren, jedoch erst Mitte des 21. Jahrhunderts, da diese Chemikalien in der Stratosphäre lange verweilen.