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Atmosphäre, ein Gasgemisch, das einen Himmelskörper (wie die Erde ) umgibt, dessen Gravitationsfeld (in der Physik ist ein Gravitationsfeld ein Modell, das den Einfluss erklärt, den ein massiver Körper in den Raum um sich herum ausübt und eine Kraft auf einen anderen massiven Körper erzeugt) stark genug ist, um das Entweichen der Gase zu verhindern. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff Atmosphäre auf die Lufthülle der Erde .
Die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre (Die Erdatmosphäre ist die Gasschicht, die den Planeten Erde umgibt und von der Erdanziehungskraft zurückgehalten wird) sind Stickstoff (78 Prozent) und Säure (21 Prozent). Der Rest besteht aus Argon (Argon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ar und der Ordnungszahl 18) (0,9 Prozent), Kohlendioxid (0.03 Prozent), verschiedene Mengen Wasserdampf und Spuren von Wasserstoff (Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol H und der Ordnungszahl 1), Ozon , Methan , Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas, das etwas weniger dicht ist als Luft), Helium (Helium ist ein chemisches Element mit Symbol He und Ordnungszahl 2), Neon (Neon ist ein chemisches Element mit Symbol Ne und Ordnungszahl 10 und ist ein Edelgas), Krypton (Krypton ist ein chemisches Element mit Symbol Kr und Ordnungszahl 36) und Xenon (Xenon ist ein chemisches Element mit Symbol Xe und Ordnung
szahl 54).
2 Entwicklung der Atmosphäre
Das Gasgemisch, das wir heute finden, hat sich im Laufe von etwa viereinhalb Milliarden Jahren entwickelt. Die früheste Atmosphäre (Ur-Atmosphäre) war ausschließlich vulkanischen Ursprungs. Die meisten der von heutigen Vulkanen freigesetzten Gase bestehen aus Wasserdampf (Wasserdampf, Wasserdampf oder Wasserdampf, ist die Gasphase von Wasser ), Kohlendioxid , Schwefeldioxid (Schwefeldioxid ist die chemische Verbindung mit der Formel) und Stickstoff und enthalten praktisch keine freie Säure. Wenn die frühe Atmosphäre aus einer ähnlichen Mischung bestand, dann müssen verschiedene Prozesse die Transformation herbeigeführt haben, die unsere gegenwärtige Atmosphäre geschaffen hat. Einer dieser Prozesse war die Kondensation. Nach dem Abkühlen kondensierte ein großer Teil des Wasserdampfes und die ersten Meere bildeten sich.
Auch chemische Reaktionen spielten eine wichtige Rolle. Teile des Kohlendioxids reagierten mit dem Gestein der Erdkruste und produzierten karbonathaltige Mineralien, andere in den neun Meeren. Später, als sich primitive Lebensformen entwickelten, die zur Photosynthese fähig waren (Photosynthese ist ein Prozess, der von Pflanzen und anderen Organismen genutzt wird, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln, die später freigesetzt werden kann, um die Aktivitäten der Organismen zu fördern), begannen Wasserorganismen, Säure zu produzieren. Es wird angenommen, dass fast die gesamte Säure in der heutigen Luft durch diese Prozesse produziert wurde. Vor etwa 570 Millionen Jahren wurde der Säuregehalt in der Atmosphäre und den Ozeanen so hoch, dass sich atmungsaktive Meeresorganismen entwickeln konnten. Vor etwa 400 Millionen Jahren reichte der Säuregehalt in der Atmosphäre aus, um die notwendigen Lebensbedingungen für die Atmung von Landtieren zu schaffen. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit (Feuchtigkeit ist die Menge an Wasserdampf in der Luft) von 100 Prozent schwankt der Wasserdampfgehalt zwischen 190 ppm (parts per million: parts per million parts per million) bei einer Temperatur von -40 °C und 42.000 ppm bei 30 °C. Winzige Mengen anderer Gase, wie Ammoniak (Ammoniak oder Azan ist eine Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff mit der Formel NH3), Schwefelwasserstoff (Schwefelwasserstoff ist die chemische Verbindung mit der Formel) und Schwefel (Schwefel oder Schwefel ist ein chemisches Element mit dem Symbol S und der Ordnungszahl 16) und Stickoxide, befinden sich vorübergehend in der Atmosphäre in der Nähe von Vulkanen und werden durch Ausfällung aus der Luft gewaschen. Oxide und andere Schadstoffe, die von Fabriken und Kraftfahrzeugen in die Atmosphäre abgegeben werden, verursachen große Schäden durch sauren Regen (saurer Regen ist ein Regen oder jede andere Form von Niederschlag, der ungewöhnlich sauer ist, was bedeutet, dass er einen erhöhten Gehalt an Wasserstoffionen aufweist). Zudem wirkt sich der ständige Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids (Kohlendioxid ist ein farbloses und geruchloses Gas, das für das Leben auf der Erde lebenswichtig ist), das vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, durch den sogenannten Treibhauseffekt nachhaltig auf das Weltklima aus.
Ähnliche Befürchtungen bestehen hinsichtlich der Zunahme von atmosphärischem Methan (Atmosphärisches Methan ist das in der Erdatmosphäre vorhandene Methan ). Fast 80 Prozent des Gases werden durch Verrottung in Reisfeldern und Sümpfen, durch die Verdauungsgase von Weidevieh und durch tropische Termiten produziert. Neben der Intensivierung des Treibhauseffekts (Der Treibhauseffekt ist der Prozess , durch den die Strahlung aus der Atmosphäre eines Planeten die Oberfläche des Planeten auf eine Temperatur erwärmt, die über dem liegt, was sie ohne seine Atmosphäre wäre), ist ein weiterer Effekt von Methan (Methan ist eine chemische Verbindung mit der chemischen Formel ) die Verringerung der Menge an Hydroxyl in der Atmosphäre (eine Hydroxy- oder Hydroxylgruppe ist die Einheit mit der Formel OH) vorhandene Ionen; dadurch wird die Fähigkeit der Atmosphäre, sich von Schadstoffen zu reinigen, erheblich eingeschränkt. Luftanalysen haben gezeigt, dass sich die Zusammensetzung der Luft bis zu einer Höhe von mindestens 90 Kilometern über dem Meeresspiegel nicht wesentlich von der am Boden unterscheidet. Die ständige Bewegung durch atmosphärische Ströme verhindert, dass sich die schwereren Gase unter den leichteren Gasen absetzen. In der unteren Atmosphäre kommt Ozon , eine Form von Säure mit drei Atomen pro Molekül, meist nur in extrem niedrigen Konzentrationen vor.
Die etwa 20 bis 50 Kilometer lange Schicht der Atmosphäre enthält mehr Ozon , das durch die ultraviolette Strahlung der Sonne erzeugt wird. Aber auch in dieser Schicht beträgt der Ozonanteil nur 0,001 Prozent. Atmosphärische Störungen und Abwinde transportieren einen Teil dieses Ozons an die Erdoberfläche und verursachen dort erhebliche Schäden an lebenden Organismen. Anfang der 70er Jahre wurde bekannt, dass Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Kältemittel und Treibmittel in der Atmosphäre zum Abbau der Ozonschicht beitragen. Diese Verbindungen sollen mit dem Sonnenlicht durch photochemische Mittel interagieren, um das stratosphärische Ozon anzugreifen und zu zerstören, das die Erdoberfläche vor starker ultravioletter Strahlung schützt. Aus diesem Grund wurden die FCKW in den Industrieländern weitgehend durch andere Mittel ersetzt. Die Atmosphäre kann in verschiedene Schichten unterteilt werden. In der untersten, der Troposphäre, sinkt die Temperatur um durchschnittlich 5 bis 6 °C pro Kilometer. Dieser Bereich ist die wolkigste Schicht. Die Troposphäre erstreckt sich bis in die Tropopause; diese Grenzschicht (in der Meteorologie ist die planetarische Grenzschicht, auch atmosphärische Grenzschicht genannt, der unterste Teil der Atmosphäre) liegt etwa 16 Kilometer über tropischen Regionen und 11 Kilometer über polaren Regionen. Die Stratosphäre erstreckt sich über die Tropopause (Die Tropopause ist die Grenze in der Erdatmosphäre zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre). Durch die geringe Luftfeuchtigkeit ist die Stratosphäre nahezu wolkenlos. In der unteren Stratosphäre bleibt die Temperatur mit der Höhe nahezu konstant, im oberen Teil steigt sie mit zunehmender Höhe rapide an, da das Sonnenlicht vom Ozon absorbiert wird. Die Stratosphäre wird durch die Stratopause nach oben begrenzt (Die Stratopause ist die Ebene der Atmosphäre, die die Grenze zwischen zwei Schichten bildet: der Stratosphäre und der Mesosphäre). Die Mesosphäre (die Mesosphäre ist die Schicht der Erdatmosphäre, die sich direkt über der Stratosphäre und direkt unter der Mesopause befindet) erstreckt sich etwa 50 bis 80 Kilometer über der Erdoberfläche. Sie zeichnet sich durch einen deutlichen Temperaturabfall mit zunehmender Höhe aus. Oberhalb dieser von der Mesopause begrenzten Schicht (Die Mesopause ist das Temperaturminimum an der Grenze zwischen der Mesosphäre und den atmosphärischen Bereichen der Thermosphäre) ist die Ionosphäre, die bis zu einer Höhe von 640 km reicht und sich durch eine hohe Ionendichte auszeichnet. Aufgrund der hohen Temperatur (die bis zu 1 200 °C in 400 km Höhe erreicht) wird diese Schicht auch Thermosphäre genannt (Die Thermosphäre ist die Schicht der Erdatmosphäre direkt über der Mesosphäre). Jenseits der Ionosphäre (Die Ionosphäre ist ein Bereich der oberen Erdatmosphäre, von etwa bis zur Höhe, und umfasst die Thermosphäre und Teile der Mesosphäre und der Exosphäre), erstreckt sich die Exosphäre (Die Exosphäre ist ein dünnes, atmosphärisches Volumen, das einen Planeten oder natürlichen Satelliten umgibt, wo Moleküle gravitativ an diesen Körper gebunden sind, aber deren Dichte zu gering ist, um sich durch Kollision miteinander als Gas zu verhalten) bis zu etwa 9 600 Kilometer und stellt die äußere Grenze der Atmosphäre dar. Die Dichte der trockenen Luft auf Meereshöhe beträgt etwa 1/800 der Dichte des Wassers. In höheren Lagen nimmt diese Dichte schnell ab proportional zum Luftdruck und umgekehrt proportional zur Temperatur. Der Luftdruck wird mit einem Barometer gemessen und in Pascal ausgedrückt. Der normale Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 1 013 Hektopascal oder Millibar (Der bar ist eine metrische Druckeinheit, ist aber nicht als Teil des Internationalen Einheitensystems zugelassen). (ehemals 760 Torr, also 760 Millimeter ofücksilver Säule). In einer Höhe von 5,6 Kilometern sind es etwa 510 Hektopascal (Der Pascal ist die von SI abgeleitete Druckeinheit zur Quantifizierung von Innendruck, Spannung, Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit) (380 Torr). Die Hälfte der Luft in der Atmosphäre liegt unterhalb dieser Höhe. Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe alle 5,6 Kilometer um etwa die Hälfte ab. In einer Höhe von 80 Kilometern beträgt der Luftdruck noch 0,0009 Hektopascal (0,0007 Torr (Für andere Anwendungen siehe Micron -)). Die Troposphäre (Die Troposphäre ist der unterste Teil der Erdatmosphäre und ist auch der Ort, an dem fast jedes Wetter stattfindet) und der größte Teil der Stratosphäre kann mit Luftballons erkundet werden, die mit Messgeräten für Luftdruck und Temperatur und mit einem Funksender ausgestattet sind, der die Daten an eine Empfangsstation auf der Erde sendet. Raketen mit Sendern, die meteorologische Messwerte übertragen, erforschen die Atmosphäre bis zu einer Höhe von etwa 400 Kilometern. Untersuchungen der Aurora Borealis (Eine Aurora, manchmal auch Polarlicht oder Nordlicht genannt, ist eine natürliche Lichtdarstellung am Himmel, vor allem in den hohen Breitengraden) ermöglichen weitere Einblicke in die Atmosphäre bis zu einer Höhe von etwa 800 Kilometern. In der nur 3 bis 4,5 Millimeter dicken Ozonschicht gibt es eine Ozonkonzentration von bis zu 10 ppm (Anzahl der Teilchen pro Million Teilchen: parts per million (In Wissenschaft und Technik ist die parts-per notation ein Satz von Pseudoeinheiten zur Beschreibung kleiner Werte verschiedener dimensionsloser Größen, z.B.)). Das Ozon entsteht dort durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung ist die Leistung pro Flächeneinheit, die von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Messgerätes empfangen wird) auf die Säure. Dies geschieht seit Millionen von Jahren, aber Stickstoff (Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7) Verbindungen in der Atmosphäre haben Ozon (Ozon, oder Trioxygen, ist ein anorganisches Molekül mit der chemischen Formel ‘) Konzentrationen auf ungefähr stabilen Niveaus gehalten. Solche hohen Ozonkonzentrationen auf der Erdoberfläche würden die menschliche Gesundheit gefährden aber da die Ozonschicht das Leben auf der Erde vor dem krebserregenden Ultraviolett schützt (Ultraviolett ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 nm bis 400 nm, kürzer als das sichtbare Licht, aber länger als Röntgenstrahlen) Sonnenstrahlung (Sonnenlicht ist ein Teil der von der Sonne abgegebenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Infrarot-, Sicht- und Ultraviolettlicht), ist sie von größter Bedeutung. Deshalb waren die Wissenschaftler besorgt, als sie entdeckten, dass chemische Gase, insbesondere Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die lange Zeit als Kältemittel und Treibmittel in Spraydosen verwendet wurden, eine Gefahr für die Ozonschicht darstellen. In die Atmosphäre freigesetzt, steigen die chlorierten Gase auf und werden durch Sonnenlicht gespalten, woraufhin das freigesetzte Chlor (Chlor ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cl und der Ordnungszahl 17) Radikale mit den Ozonmolekülen reagieren und diese zerstören. Daher ist die Verwendung von FCKW in vielen Ländern verboten. Mitte der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts entdeckten Forscher einen Rückgang des Ozons in der Atmosphäre über der Antarktis. Das so genannte Ozonloch bildet sich im antarktischen Frühling und bleibt mehrere Monate, bis es sich wieder schließt. Wie andere Studien mit Höhenballonen und Wettersatelliten gezeigt haben, ist der Gesamtanteil des Ozons in der Ozonschicht über der Antarktis (Antarktis ist der südlichste Kontinent der Erde) zurückgegangen. Messungen zeigen, dass der Rückgang der antarktischen Ozonschicht 1998 höher war als in den Vorjahren. Die Flüge über die Arktis zeigten ähnliche Entwicklungen. Bis Januar 2000 war die Dicke der arktischen Ozonschicht um mehr als die Hälfte des ursprünglichen Niveaus geschrumpft. Das Ozonloch in der Stratosphäre (Die Stratosphäre ist die zweite große Schicht der Erdatmosphäre, knapp über der Troposphäre und unter der Mesosphäre) über der Arktis erstreckt sich über eine Fläche von etwa 15 Millionen Quadratkilometern. Den ungewöhnlichen Anstieg der Ozonschicht über Mitteleuropa im April 1999 führten Experten auf eine meteorologische Ursache zurück, die eine Dicke von 4,5 Millimetern erreichte. Ein so hoher Wert wurde in den 1990er Jahren nicht gemessen. Der niederländische Atmosphärenexperte Paul Crutzen (Paul Jozef Crutzen ist ein niederländischer, Nobelpreisträger, Atmosphärenchemiker) erklärte 1999, dass Modellrechnungen zu dem Schluss führten, dass die Ozonkonzentrationen in den nächsten 10 bis 20 Jahren insgesamt weiter abnehmen würden. 1985 verabschiedeten die Vereinten Nationen das Montrealer Protokoll (Das Montrealer Protokoll über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen, ist ein internationaler Vertrag zum Schutz der Ozonschicht durch Einstellung der Produktion zahlreicher Stoffe, die für den Abbau der Ozonschicht verantwortlich sind), in dem sich 49 Unterzeichnerstaaten bereit erklärten, die FCKW-Produktion bis zum Ende des Jahrhunderts einzustellen; 1987 wurde ein Abkommen zum Schutz der Ozonschicht von 36 Staaten unterzeichnet und später ratifiziert. 1989 schlug die Europäische Gemeinschaft (heute Europäische Union ) ein vollständiges Verbot der Verwendung von FCKW in den 90er Jahren vor, das von den Vereinigten Staaten gebilligt wurde.
1991 startete die NASA (The National Aeronautics and Space Administration ist eine unabhängige Behörde der Exekutive der US-Bundesregierung, die für das zivile Raumfahrtprogramm sowie die Luft- und Raumfahrtforschung zuständig ist) einen sieben Tonnen schweren Forschungssatelliten in die Umlaufbahn, um den weltweiten Ozonabbau zu beobachten. In 600 Kilometern Höhe umkreist das Raumfahrzeug die Erde , misst Ozonschwankungen in verschiedenen Höhen und liefert erstmals ein vollständiges Bild der chemischen Struktur der oberen Atmosphäre. Im September 1997 beschloss die internationale Konferenz zum Schutz der Ozonschicht in Montreal, das Fungizid (Fungizide sind biozide chemische Verbindungen oder biologische Organismen zur Abtötung von Pilzen oder Pilzsporen) Methylbromid auslaufen zu lassen.
Diese Substanz trägt auch zur Schädigung der lebenswichtigen Ozonschicht der Erde bei (Die Ozonschicht oder Ozonschild ist eine Region der Stratosphäre der Erde, die den größten Teil der ultravioletten Strahlung der Sonne absorbiert). Der Vorschlag der Europäischen Union (Die Europäische Union ist eine politische und wirtschaftliche Union von Mitgliedstaaten, die sich hauptsächlich in Europa befinden) (EU), die Verwendung von teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (Ein Fluorchlorkohlenwasserstoff ist eine organische Verbindung, die nur Kohlenstoff, Chlor und Fluor enthält, hergestellt als flüchtiges Derivat von Methan, Ethan und Propan) (HFCKW) Anfang 2030 bis 2015 scheiterte unter anderem am Widerstand der Vereinigten Staaten von Amerika. In den USA wurden FCKW, die heute in den Industrieländern verboten sind, durch H-FCKW ersetzt, insbesondere in Klimaanlagen; obwohl sie weniger aggressiv sind, schädigen sie auch die Ozonschicht (Ozonabbau beschreibt zwei unterschiedliche, aber verwandte Phänomene, die seit Ende der 70er Jahre beobachtet wurden: einen stetigen Rückgang der Gesamtmenge an Ozon in der Stratosphäre der Erde um etwa vier Prozent und einen viel größeren Rückgang des stratosphärischen Ozons um die Polarregionen der Erde im Frühjahr). Für die Industrieländer wurde der Ausstiegszeitpunkt für Methylbromid auf den 1. Januar 2005 festgelegt (für Reduzierungsschritte von 25 Prozent bis 1999, 50 Prozent bis 2001 und 70 Prozent bis 2003). Für Entwicklungsländer gilt der 1. Januar 2015 als Endtermin, bis 2005 sollen die Emissionen um mindestens 20 Prozent reduziert werden.
Für die Industrieländer galt das Jahr 2010 bisher als Ausstiegsziel. Für die Entwicklungsländer war bisher kein Termin festgelegt worden. Methylbromid (Bromomethan, allgemein bekannt als Methylbromid, ist eine Organobromverbindung mit der Formel CH3Br) wird hauptsächlich in Entwicklungsländern, den USA und in einigen südeuropäischen Ländern zur Konservierung von Obst und Blumen verwendet.