Unsere Atmosphäre, wie sie funktioniert und was sie für uns tut

Vorwort

ehen wirs an. Der 10-Tonnen-Gorilla um den ich mich bisher immer gedrückt habe. Ich hab schon vor Jahren angekündigt einen entsprechenden Artikel zu schreiben und wollte mich dafür von einem Kollegen der einen MSc in Physik hat (und damit definitiv mehr Plan als ich hat) beraten lassen. Das hat er netterweise auch gemacht aber jeder zweite Satz war: "Mein Fachgebiet liegt bei Supraleitern. Ich hab da wirklich nur ganz rudimentär Ahnung davon!"

Da stehe ich also nun mit meiner naturwissenschaftlichen Ausbildung die zwar solide ist aber nicht annähernd an die Kompetenz meines Kollegen ranreicht und erkläre euch eins der komplexesten Dinge des Universums: Unsere Atmosphäre und was sie für unser Klima tut. Ich versuchs locker zu formulieren. Länger wird es trotzdem. Es wird sehr viel grundlegende Physik. Wirklich sehr viel... Dafür wisst ihr dann warum der Himmel blau ist, wie eine Mikrowelle funktioniert und warum das alles was mit der Temperatur auf unserer Erde zu tun hat. Es wird ein Spaß. Hoffentlich.

Der Weltraum - Leben am Limit

Während wir hier gemütlich in unseren bequemen Sesseln sitzen kreist die Raumstation ISS in knapp 400 km Höhe über der Erde dahin. In dieser Höhe gibt es keine schützende Atmosphäre mehr. Wir befinden uns praktisch im luftleeren Raum und stellt damit die Bewohner der Raumstation sowie die Erbauer des wahrscheinlich komplexesten Apparats den die Menschheit ersonnen hat vor ganz besondere Herausforderungen:

-) Es ist sehr heiß und sehr kalt und beides zugleich

Die sonnenzugewandte Seite der Raumstation hat eine Oberflächentemperatur bei der man ein Spiegelei braten könnte. Die schattige Seite weist eine Temperatur auf bei der purer Industriealkohol gefriert. Von Vorder- zu Rückseite haben wir somit Temperaturdifferenzen von über 300° C.

-) Extreme UV-Strahlung

Die Fenster der ISS sind alle mit starken UV-Filtern ausgestattet. Die Sonne prügelt auf Himmelskörper ohne Atmosphäre mit 1366 W/m² an kurzwelliger Strahlung ein. Auf der Vorgängerstation gab es ein Fenster bei der man den UV-Filter wegklappen konnte. Ein Astronaut machte das um ein paar Fotos ohne Filter zu schießen. Er hatte nach 10 Sekunden einen Sonnenbrand. Wem die Zahl zu abstrakt ist: Eine Sonnenliege hat eine Leistung von 0,3 W/m². Die Sonne prügelt also mit über 4500-facher Stärke auf unseren Planeten ein.

Es gibt noch eine Vielzahl von anderen Problemen doch hier geht es nicht um die ISS sondern um das Raumschiff das wir bewohnen: Die Erde.

Wie wäre es ohne Atmosphäre oder mit einer anderen?

Das wir auf der Erde leben können verdanken wir also primär unserer Atmosphäre: Ein bisschen Gas das um unsere kleine Schlammkugel herumwirbelt. Und von allen Atmosphären die es in unserem Sonnensystem gibt haben wir das Luxusprodukt.

-) Der Mond

Unser nächster Himmelskörper hat keine Atmosphäre. Entsprechend haben wir hier Temperaturverhältnisse wie auf der Oberfläche der ISS. Was lernen wir daraus? Der Mond ist zwar deutlich größer als die ISS aber ohne Atmosphäre ändert sich die Temperatur schnell und brutal.

-) Die Venus und der Merkur

Die Venus ist deutlich weiter von der Sonne entfernt als der Merkur. Der Merkur hat keine Atmosphäre, die Venus schon. Und was für eine! Die Venus hat eine Atmosphäre die praktisch ausschließlich aus Treibhausgasen besteht. Die Oberflächentemperatur ist so hoch, dass Aluminium schmilzt. An "Wintertagen" hat es frostige 430 Grad plus. Zum Vergleich: Der Merkur, der ja deutlich näher an der Sonne liegt, ist im Durchschnitt um fast 300 Grad kühler.

Es gibt noch mehr Beispiele in unserem Sonnensystem wie zB. der Titan aber ich denke wir können festhalten: Die Atmosphäre muss allermindestens eine Art Wärmespeicher und Ausgleichselement sein.

Das die obigen Daten stimmen darauf könnt ihr Gift drauf nehmen: Wir haben alle Planeten bereits besucht. Aus offensichtlichen Gründen nicht mit Menschen aber Sonden mit Messgeräten drauf tuns genauso. Obwohl ein vor laufender Kamera verkohlender Wissenschaftsleugner auch was für sich hätte.

Um gleich vorab zu beruhigen: Egal wie sehr wir unseren Planeten zerficken: Ne zweite Venus wird er nicht. Dafür sind wir dann doch schon ein Stück zu weit weg.

Was ist Wärmestrahlung? Wie wird Wärme überhaupt übertragen?

Wenn wir nach draußen gehen und die Sonne auf unsere Haut scheint und das angenehm warm ist, ist das primär aufgrund der Wärmestrahlung. Wer schon einmal auf ein heißes Autoblech gegriffen hat weiß: Ein Objekt das in der prallen Sonne steht ist viel heißer als die Luft. Das Objekt wird also nicht primär durch die Luft aufgeheizt sondern durch die Sonne.

Popquiz: Warum ist ein Ceranfeld rot?

Habt ihr euch schon mal gefragt warum ein Ceranfeld immer rot strahlt und man das nicht auch in zB. grün strahlend kriegt? Physik! Wärmestrahlung geht auch mit einem entsprechend glühenden Körper einher. Und dieses Farbe wiederum geht mit einer gewissen Temperatur einher. Und um das ganze noch abgefahrener zu machen: Nur weil wir kein Glühen sehen, heißt das nicht, dass da keine Wärmestrahlung ist. Ihr seid verwirrt? Keine Sorge! Das muss so! Blendet das für den Moment aus und konzentriert euch darauf, dass wir Teile des Phänomens "Wärme" sehen und/oder fühlen können und andere nicht. Das heißt aber nicht, dass sie nicht da sind.

Und wieder zurück zur Sonne

Die Sonne transportiert ihr Wärme also über Strahlung zu unserem Planeten. Auf dem Planeten wird die Strahlung dann vom Planeten und dem Zeug das wir da rumstehen haben mehr oder weniger gut absorbiert. Wenn wir nun zu unserem Auto gehen das ein paar Stunden in der Sonne stand und uns am Autoblech die Pratze verbrennen, oder in der Küche auf eine heiße Herdplatte greifen, lernen wir die Wärmeleitung kennen: Zwei Körper berühren sich, in dem Fall unsere Hand den heißen Gegenstand, wir verbrennen uns.

Um das Ganze nun, und darum ist die Erstellung eines Modells unserer Atmosphäre auch so schwierig, nun noch etwas komplexer zu machen gibt es aber noch eine dritte Art wie Wärme übertragen wird: Die Konvektion. Konvektion ist die Wärmeübertragung innerhalb eines Mediums. Das kann das Wasser im Kochtopf sein das man zum Kochen bringt oder die kalte Luft in der Bude die wir mit unserem Ofen aufheizen.

Alles wäre viel einfacher wenn es dieses letzte große Ding nicht gäbe das man in Physik in der Hauptschule nur in nem Randsatz abhakt. Konvektion ist der Grund warum wir nicht 20 cm vorm Ofen erfrieren. Konvektion ist der Motor unseres Wetters. Und Konvektion ist mit einer der Gründe warum es echt schwer ist zu sagen wie einzelne Treibhausgase nun miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen. Stellen wir uns eine andere Frage. Eine simplere:

Warum streichen wir Häuser nicht schwarz an?

Die Antwort von euch wird wahrscheinlich sein: "Weil ich nicht vorhabe in einem Backofen zu wohnen" Egal wie schick ein schwarzes Haus auch ist... wie... ihr findet schwarz nicht schick? Egal! Lasst mich halt! Muss ja nicht euch gefallen! Mein kleines, imaginäres Traumhäuschen kurz vorm Sumpfgebiet.

Warum Dinge kälter werden

Körper absorbieren also Wärme. Sie tun aber noch mehr: Sie entziehen einem Objekt Wärme da Wärme immer vom wärmeren zum kälteren Medium fließt und nicht umgekehrt. Das kennt jeder vom Bleigießen: Zuerst bringt man die Kacke zum Glühen, dann wirft man das Zeug ins Wasser wo es schlagartig erstarrt. Danach sammelt man ein penisartiges Konstrukt aus dem, etwas wärmer gewordenem Wasser und jede Menge Tränen. Man blättert im beiliegenden Büchlein das sagt: Furchtbarer Sex im neuen Jahr. Also im Westen nichts Neues.

Das flüssige Metall hat seine Wärme auf das Wasser übertragen mit dem Ergebnis, dass das Wasser etwas wärmer wurde und wir uns nicht mehr die Pfoten am Metall verbrennen. Und nun kommt der Sprung auf den alle die bis hierher gelesen haben gewartet haben!

Die Atmosphäre macht das auch so wie die Dinge da oben!

Ihr erinnert euch vielleicht noch an die 1366 W/m² die dem über 4000-fachen der Intensität eines Solariums entsprechen? Wieso krepieren wir hier nicht alle wie Bratwürste im Hochofen?

Weil die Atmosphäre der Sonne den Wind aus den Segeln nimmt. Die Strahlung der Sonne muss durch unsere Erdatmosphäre. Und wenn die Strahlung der Sonne das heiße Metall ist dann ist unsere Erdatmosphäre das Wasser. Und das weiß gestrichene Haus.

Mein Physikprofessor würde mich nun mit dem Lineal erschlagen würde er noch leben. Tut er aber nicht. Also darf ich den Vergleich bringen auch wenn er stark vereinfachend und eigentlich unzulässig ist.

Wir können unsere Atmosphäre nicht sehen aber ihre Auswirkungen sehr wohl.

Warum ist der Himmel blau?

Kaum jemand fragt sich das. Nun der Himmel ist blau weil unsere Atmosphäre einen Teil der Strahlung der Sonne wie ein Spiegel reflektiert, einen anderen Teil absorbiert und wieder einen anderen Teil einfach ungehindert durchlässt. Im Weltall ist die Strahlung der Sonne unsichtbar. Erst durch das Brechungsverhalten der Atmosphäre sehen wir blau. Wir sehen nicht die Atmosphäre an sich: Wir sehen was sie mit dem Sonnenlicht macht.

Ihr könnt hierfür einen einfachen Versuch machen: Nehmt zwei Spiegel und haltet sie so gegeneinander, dass sich die Bilder darin jeweils reflektieren. Fällt euch auf das jede Spiegelung etwas dunkler wird? Warum ist das so? Weil ein Teil des Lichts absorbiert wird und nur ein Teil reflektiert. Und auch dieser Effekt findet in unserer Atmosphäre statt und sorgt dafür, dass unser Planet bewohnbar ist.

Popquiz 2: Warum kann ich in einer Mikrowelle Wasser zum Kochen aber kein Papier zum Brennen bringen?

Jetzt wirds heftig: Die Mikrowelle... macht Dinge gar nicht warm!

In unserer Nahrung befindet sich in der Regel eine gewisse Menge Wasser. Wir haben vorhin gelernt, dass unsere Atmosphäre der Sonnenstrahlung ein bisschen den Wind aus den Segeln nimmt und das passiert im Grunde in der Mikrowelle genauso, wenn auch mit einem anderen Effekt. Die Wassermoleküle, ein Molekül ist im Prinzip ein winzig kleiner Körper, im Essen beginnen im Prinzip im Takt zur Mikrowellenstrahlung zu schwingen. Ich sehe schon wieder meinen Physikprof vor meinem geistigen Auge aber keine Sorge! Ich machs gleich noch schlimmer!

Die Wassermoleküle können nicht so schnell nachschwingen wie die Strahlung der Mikrowelle. Sie hinken hinterher. Das nennt man auch "phasenverschoben" Stellt es euch vor wie ein Typ der immer an den gleichen Orten wie ihr ist. Nur eben 1 Minute nach euch. Ihr seid die Mikrowellenstrahlung. Der Typ das Wassermolekül. Es passieren nun zwei Dinge:

Durch das "Nachhinken" entstehen ne Menge Verluste. Und Verluste sind in der Physik sehr oft Wärme. So auch hier.

Wenn Moleküle sich bewegen haben sie ein höheres Energieniveau. Dieses Energieniveau wollen sie an alles um sich rum abgeben. Das macht sich ebenfalls als Wärme bemerkbar. Warum? Weil das energiegeladene, extrem bewegliche kleine Molekül immer wieder gegen die Nachbarn dotzt.

Wenn ihr eure Hand über eure Jeans reibt wird die Handfläche heiß und die Hose auch. Beim Essen passiert etwas recht Ähnliches nur auf einer Ebene wo wir es nicht mehr sehen können. Aber wir wissen ja bereits das wir richtig scheiße sind überhaupt irgendwas von Relevanz wahrzunehmen.

Und die Sammlung dieser Effekte macht uns dann letztendlich das Essen oben megaheiß und am Tellerboden eiskalt weil Mikrowellen einfach absolut beschissen sind. Das musste auch mal gesagt werden!

Ach und der Pappteller? Tjaa... Der tut bei Mikrowellenstrahlung so als wäre er schlicht und einfach nicht vorhanden. Sie ist ihm komplett egal. Kein Molekül tut irgendwas. Daraus lernen wir: Unterschiedliche Medien reagieren auf unterschiedliche Formen von Strahlung.

Woraus besteht unsere Atmosphäre?

Die wichtigsten Bestandteile unserer Atmosphäre sind Stickstoff (78,08%), Sauerstoff (20,95%), Argon (0,93%) und Kohlenstoffdioxid (0,04%) Alle Angaben sind in Volumsprozent.

Kohlenstoffdioxid, kurz CO2, ist ein Spurengas. Dazu kommt dann, je nach Jahreszeit, noch zwischen 0 und 4% Wasserdampf vor.

Die Atmosphäre hat alles in allem ca. 80 km Höhe (je nachdem wen man fragt und wo man die Grenze zieht bis zu 500 km) und wiegt 5,15 Billiarden Tonnen (ohne Wasserdampf). Wenn wir das jetzt mal kurzerhand mit dem Anteil an Kohlenstoffdioxid rechnen (das massemäßig 0,06% ausmacht) dann kommen wir auf über 3000 Gigatonnen CO2 oder ausgeschrieben: 3000000000000 Tonnen CO2.

Auch Kleinvieh macht Mist und bei so einem Behemoth wie unserer Erdatmosphäre sind eben auch 0,04% auf einmal... echt viel!

Kleines Zwischenfazit

Wir haben echt viel durchgenommen in dem Text. Fassen wir nochmal kurz zusammen:

- Körper nehmen Wärme auf und geben sie ab

- Körper können Strahlung auch reflektieren

- Moleküle sind sehr sehr kleine Körper

- Moleküle können durch zu ihnen passende Strahlung angeregt werden und werden dadurch heiß.

- Unsere Erdatmosphäre ist, weit genug hineingezoomt, eine Ansammlung von sehr sehr kleinen Körpern nämlich Molekülen

- Ohne diese Ansammlung von frei rumfliegenden Körpern hätten wir bei uns sehr interessante Lebensbedingungen denn die Atmosphäre ist unser Wärmeausgleichselement dass uns nachts warm hält und tagsüber vor der Verkohlung schützt.

- Und unsere Atmosphäre ist in Gesamtheit richtig, richtig schwer.

- ...Wodurch auch 0,04% auf einmal in absoluten Zahlen richtig reinhaut.

Das grande Finale: Die Strahlungsbilanz

Wir wissen von jedem Bestandteil unserer Atmosphäre im Einzel gesehen peinlichst genau was er für sich allein gesehen tut. Auch die Physik von dem Zeug das wir so auf unserem Planeten haben ist uns bis ins Detail bekannt. Ihr habt auch gemerkt, dass wir diese Eigenschaften teils clever für unsere Zwecke ausnutzen um Essen warm zu machen, dafür zu sorgen dass unsere Häuser keine Backöfen sind oder im Winter zu heizen.

Was Schwierigkeiten macht ist teils das Zusammenspiel und damit festzustellen wie groß der Einfluss von einzelnen Bestandteilen an dem Phänomen Klimawandel nun wirklich ist. Das wir das Klima beeinflussen steht aber außer Frage denn wir nehmen ja aktiv Eingriff darauf. Wir holzen Wälder ab, pflanzen neue an, bauen Gebäude, reissen alte ab, tauen verschneiten, weißen Boden auf und holen dunklen hervor und kleistern anderswo alles mit Schneekanonen zu. Die Frage ist nicht ob wir das Klima beeinflussen sondern wie. Und bei der Beantwortung dieser Frage hilft uns eben die Strahlungsbilanz.

Ähnlich einer Buchhaltung schauen wir hier: Was geht aktuell rein, was geht aktuell raus und wie setzen sich die Zahlen zusammen?

Die Forschung und die Modelle dahinter sind dermaßen komplex dass ich sie nicht verstehe. Und wenn hier auf FuF auch nur ein Einziger ist der sagt: Er kann das nachrechnen bezichtige ich ihn der Lüge wenn er mir nicht mindestens nen Master of Science auf den Tisch knallt und einschlägige Forschungspraxis vorweisen kann.

Denn alles was wir oben geschrieben haben muss in diese Modelle hinein. Es ist eine Mammutaufgabe.

Fangen wir einfach an:

Unsere Erde ist ein Kugel und nur teilweise von der Sonne beschienen. Die Pole kriegen deutlich weniger Sonne ab als der Äquator und eine Hälfte ist sowieso finster weil Nacht. Sind wir also bei grob einem Viertel der 1366 W/m² (ihr erinnert euch an die ISS?) mit denen wir klarkommen müssen. Es teilt sich ja letztendlich schön auf. Das sind 342 W/m².

Davon werden 31% zurück in den Weltraum gestrahlt. Warum? Weil Eis weiß ist. Schnee ist weiß. Wolken sind weiß. Ackerland ist hell. Damit sind weitere 100 W/m² weg um die wir uns Gedanken machen müssen.

Natürlich: Wenn wir Grün durch Asphalt ersetzen dann ersetzen wir helle Flächen durch dunkle. Wenn Eis schmilzt kommt darunter dunkler Boden zum Vorschein. Die Fähigkeit Strahlung zu reflektieren sinkt und das ganze Konstrukt kippelt in die eine oder andere Richtung.

Grob 80 W/m² werden von der Atmosphäre direkt aufgenommen. Das sorgt dafür, dass wir nachts nicht -100° haben. Knappe 160 W/m² werden aktuell von der Erde selbst aufgenommen. Die Erde und die Luft um uns rum ist quasi das heiße Autoblech.

Nachsatz: Und was tut nun das CO2? Das kam ja gar nicht mehr vor!

Tja... CO2 hat viele Eigenschaften aber weil ich langsam zu nem Ende kommen will komme ich auf die zwei ekelhaftesten zu sprechen: CO2 ist durchlässig für diese schöne, harte Weltraumstrahlung die auf der ISS für Sonnenbrand sorgen würde ohne UV-Filter. Für die Filterung von UV Strahlung ist in der Atmosphäre primär Ozon verantwortlich. Ein weiteres Spurengas von dem die FuFologen also mit Sicherheit sagen, dass es entsprechend nichts macht.

Ob die Formel mehr CO2 = weniger O3 zulässig ist? Man weiß es nicht. Wenn ja wärs blöd.

Die zweite ist, dass CO2 Wärmestrahlung die von unserem Planeten ausgeht aufnehmen und abgeben kann. Das heißt: Die Wärme des Planeten geht nicht einfach zurück in den Weltraum sondern heizt noch zusätzlich die Atmosphäre und den darunterliegenden Boden auf.

Wie groß der Einfluss letztendlich sein wird darüber diskutiert man. Dass es einen Einfluss haben wird ist gewiss. Wissenschaftler sind keine Idioten. 200 Jahre Messtechnik und Ingenieurswesen stehen zudem hinter ihnen und belegen die Thesen mit harten Zahlen. Wir, die Menschheit, weiß so ziemlich alles über das CO2 Molekül was man darüber nur wissen kann.

Meine Hochachtung vor jedem der wirklich bis zum Ende durchgehalten hat. Das war ein richtig langer Text.

ejaugsburg/pixabay https://pixabay.com/de/photos/umweltschutz-naturschutz-%c3%b6kologie-326923/

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