Atmosphäre der Erde

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2009 NASA -Foto mit der Erdatmosphäre der Erde bei Sonnenuntergang, mit Erde silhouettiert
Blaues Licht ist verstreut Mehr als andere Wellenlängen durch die Gase in der Atmosphäre, die die Erde in einer sichtbar blauen Schicht umgeben, wenn sie aus dem Raum an Bord aus gesehen werden Iss in einer Höhe von 208 mi.[1]
Zusammensetzung der Erdatmosphäre durch molekulare Anzahl ohne Wasserdampf. Niedrigere Kuchen repräsentiert Spurengase, die zusammen etwa 0,0434% der Atmosphäre bestehen (0,0442% bei Konzentrationen im August 2021[2][3]). Zahlen sind hauptsächlich ab 2000 mit CO2 und Methan aus dem Jahr 2019 und stellen keine einzelne Quelle dar.[4]

Das Atmosphäre der Erde, Üblicherweise bekannt als Luft, ist die Schicht von Gase beibehalten von Schwerkraft der Erde Das umgibt den Planeten und bildet seinen Planeten Atmosphäre. Die Atmosphäre der Erde schützt Leben auf der Erde durch Schaffung Druck erlauben für flüssiges Wasser auf der Erde existieren auftauchen, absorbierend Ultraviolett SonnenstrahlungErwärmen der Oberfläche durch Wärmeerhalte (Treibhauseffekt) und Reduzierung der Temperaturextreme zwischen Tag und Nacht (das tägliche Temperaturschwankung).

Durch Maulwurfbruchung (d.h. nach Anzahl der Moleküle) trockene Luft enthält 78,08% Stickstoff-, 20,95% Sauerstoff, 0,93% Argon, 0,04% Kohlendioxidund kleine Mengen anderer Gase.[8] Luft enthält auch eine variable Menge von Wasserdampfdurchschnittlich 1% auf Meereshöhe und 0,4% über die gesamte Atmosphäre. Luftzusammensetzung, Temperatur und Luftdruck variieren mit der Höhe. Innerhalb der Atmosphäre, Luft geeignet für den Einsatz in Photosynthese durch Terrestrische Pflanzen und Atmung von terrestrische Tiere ist nur in der Erde gefunden Troposphäre.

Die frühe Atmosphäre der Erde bestand aus Gasen in der Solarnebel, hauptsächlich Wasserstoff. Die Atmosphäre änderte sich im Laufe der Zeit erheblich, was von vielen Faktoren betroffen ist wie z. Vulkanismus, Leben, und Verwitterung. In jüngster Zeit hat auch die menschliche Aktivität dazu beigetragen Atmosphärische Veränderungen, wie zum Beispiel Erderwärmung, Ozonabbau und Säureablagerung.

Die Atmosphäre hat eine Masse von ca. 5,15×1018kg,[9] Drei Viertel davon liegen innerhalb von 6,8 mi; 36.000 ft) der Oberfläche. Die Atmosphäre wird mit zunehmender Höhe dünner, ohne eindeutige Grenze zwischen der Atmosphäre und Weltraum. Das Kármán Linie, bei 100 km (62 mi) oder 1,57% des Erdradius, wird häufig als Grenze zwischen der Atmosphäre und dem Weltraum verwendet. Atmosphärische Effekte machen sich während Atmosphärische Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in einer Höhe von rund 120 km (75 mi). Mehrere Schichten kann in der Atmosphäre unterschieden werden, basierend auf Merkmalen wie Temperatur und Zusammensetzung.

Das Studium der Erdatmosphäre und ihrer Prozesse wird genannt Atmosphärische Wissenschaft (Aerologie) und enthält mehrere Teilfelder wie z. Klimatologie und Atmosphärische Physik. Frühe Pioniere auf dem Gebiet umfassen Léon Teisserc de Bort und Richard Assmann.[10] Das Studium der historischen Atmosphäre wird genannt Paläoklimatologie.

Komposition

Hauptartikel: Atmosphärische Chemie
Mittlerer atmosphärischer Wasserdampf

Die drei Hauptbestandteile der Erdatmosphäre sind Stickstoff-, Sauerstoff, und Argon. Wasserdampf macht ungefähr 0,25% der Atmosphäre durch Masse aus. Die Konzentration des Wasserdampfs (ein Treibhausgas) variiert signifikant von etwa 10 ppm durch Molbruch zitiert in trockener Luft (ohne Wasserdampf).[11]: 8 Die verbleibenden Gase werden oft als Spurengase bezeichnet,[12] darunter sind andere Treibhausgase, hauptsächlich Kohlendioxid, Methan, Lachgas und Ozon. Neben Argon, bereits erwähnt, andere Edelgase, Neon, Helium, Krypton und Xenon sind ebenfalls vorhanden. Filterte Luft umfasst Spurenmengen vieler anderer Chemische Komponenten. Viele Substanzen natürlicher Herkunft können in lokalen und saisonal variablen kleinen Mengen als vorhanden sein Aerosole in einer ungefilterten Luftprobe, einschließlich Staub von Mineral- und organischer Komposition, Pollen und Sporen, Meeresspray, und Vulkanasche. Verschiedene Industrie Schadstoffe kann auch als Gase oder Aerosole vorhanden sein, wie z. Chlor (elementar oder in Verbindungen), Fluor Verbindungen und elementar Merkur Dampf. Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid (ALSO2) kann aus natürlichen Quellen oder aus industrieller Luftverschmutzung abgeleitet werden.

Hauptbestandteile der trockenen Luft, durch Maulwurfbruch[8]
Gas Maulwurfbruchung(EIN)
Name Formel in ppm(B) in %
Stickstoff N2 780.840 78.084
Sauerstoff O2 209,460 20.946
Argon Ar 9.340 0,9340
Kohlendioxid
(April 2022)(C)[13] 		CO2 417 0,0417
Neon Ne 18.18 0,001818
Helium Er 5.24 0,000524
Methan CH4 1.87 0,000187
Krypton Kr 1.14 0,000114
Nicht in der obigen trockenen Atmosphäre enthalten:
Wasserdampf(D) H2Ö 0–30.000(D) 0–3%(E)
Anmerkungen:

Der Durchschnitt Molekulargewicht von trockener Luft, die zur Berechnung der Dichten oder zur Umwandlung zwischen Mol Fraktion und Massenanteil verwendet werden kann, beträgt ca. 28,946[14] oder 28,96[15][16]g/mol. Dies wird verringert, wenn die Luft feucht ist.

Die relative Gasenkonzentration bleibt konstant bis etwa 10.000 m (33.000 Fuß).[17]

Der Maulwurfsanteil der Hauptbestandteile der Erdatmosphäre als Funktion der Höhe gemäß dem Atmosphärenmodell von MSIS-E-90.

Schichtung

Erdatmosphäre Niedrigere 4 Schichten der Atmosphäre in 3 Abmessungen, wie diagonal von oben der Exobase gesehen. Ebenen, die skaliert sind, sind Objekte in den Schichten nicht skaliert. Aurorae, die hier am Boden der Thermosphäre gezeigt sind, können sich tatsächlich in jeder Höhe in dieser atmosphärischen Schicht bilden.

[18]Im Allgemeinen nehmen Luftdruck und Dichte mit der Höhe in der Atmosphäre ab. Die Temperatur hat jedoch ein komplizierteres Profil mit Höhe und kann in einigen Regionen relativ konstant oder sogar mit der Höhe zunehmen (siehe die Temperatur Abschnitt unten). Weil das allgemeine Muster des Temperatur-/Höhenprofils oder Leichzrate, ist konstant und messbar mittels instrumentiert Ballon -KlangDas Temperaturverhalten bietet eine nützliche Metrik, um atmosphärische Schichten zu unterscheiden. Auf diese Weise kann die Erdatmosphäre in fünf Hauptschichten unterteilt werden (als atmosphärische Schichtung bezeichnet): Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre.[19] Die Höhen der fünf Schichten sind wie folgt:

  • Exosphäre: 700 bis 10.000 km (440 bis 6.200 Meilen)[20]
  • Thermosphäre: 80 bis 700 km (50 bis 440 Meilen)[21]
  • Mesosphäre: 50 bis 80 km (31 bis 50 Meilen)
  • Stratosphäre: 12 bis 50 km (7 bis 31 Meilen)
  • Troposphäre: 0 bis 12 km (0 bis 7 Meilen)[22]

Exosphäre

Hauptartikel: Exosphäre

Die Exosphäre ist die äußerste Schicht der Erdatmosphäre (d. H. Die Obergrenze der Atmosphäre). Es erstreckt sich von der Thermopause, an der Spitze der Thermosphäre in einer Höhe von etwa 700 km über dem Meeresspiegel, auf etwa 10.000 km; Sonnenwind.[20]

Diese Schicht besteht hauptsächlich aus extrem niedrigen Dichten von Wasserstoff, Helium und mehreren schwereren Molekülen, einschließlich Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid näher an der Exobase. Die Atome und Moleküle sind so weit voneinander entfernt, dass sie Hunderte von Kilometern reisen können, ohne miteinander zu kollidieren. Somit verhält sich die Exosphäre nicht mehr wie ein Gas, und die Partikel entkommen ständig in den Weltraum. Diese frei beweglichen Partikel folgen ballistisch Flugbahnen und kann in das und aus dem und aus dem wandern Magnetosphäre oder der Sonnenwind.

Die Exosphäre ist zu weit über der Erde für meteorologisch Phänomene möglich sein. Allerdings der Erde Auroras- Die Aurora Borealis (Nordlichter) und Aurora Australis (Südlichter) - treten manchmal im unteren Teil der Exosphäre auf, wo sie sich in die Thermosphäre überlappen. Die Exosphäre enthält viele der der künstliche Satelliten das Orbit Erde.

Thermosphäre

Hauptartikel: Thermosphäre

Die Thermosphäre ist die zweithöchste Schicht der Erdatmosphäre. Es erstreckt sich von der Mesopause (die sie von der Mesosphäre trennt) in einer Höhe von etwa 80 km bis zum Jahr 50 km Thermopause in einem Höhenbereich von 500–1000 km (310–620 mi; 1.600.000–300.000 ft). Die Höhe der Thermopause variiert aufgrund von Änderungen der Sonnenaktivität erheblich.[21] Da die Thermopause an der unteren Grenze der Exosphäre liegt, wird sie auch als die bezeichnet Exobase. Der untere Teil der Thermosphäre von 80 bis 550 Kilometern (50 bis 342 mi) über der Erdoberfläche enthält die Ionosphäre.

Die Temperatur der Thermosphäre steigt allmählich mit der Höhe an und kann bis zu 1500 ° C steigen, obwohl die Gasmoleküle so weit voneinander entfernt sind, dass es ihre Temperatur im üblichen Sinne ist nicht sehr bedeutungsvoll. Die Luft ist so verdünnt, dass ein einzelnes Molekül (von Sauerstoffzum Beispiel) reist zwischen Kollisionen mit anderen Molekülen durchschnittlich 1 Kilometer (0,62 mi; 3300 Fuß).[23] Obwohl die Thermosphäre einen hohen Anteil an Molekülen mit hoher Energie aufweist, würde sie sich für einen Menschen in direktem Kontakt nicht heiß anfühlen, da seine Dichte zu niedrig ist, um eine erhebliche Menge an Energie für oder von der Haut zu leiten.

Diese Schicht ist vollständig wolkenlos und frei von Wasserdampf. Nicht-Hydrometeorologische Phänomene wie die jedoch Nordlicht und Südlicht werden gelegentlich in der Thermosphäre gesehen. Das Internationale Raumstation Bahnen in dieser Schicht zwischen 350 und 420 km (220 und 260 mi). Es ist diese Schicht, in der viele der Satelliten, die die Erde umkreisen, vorhanden sind.

Mesosphäre

Hauptartikel: Mesosphäre

Die Mesosphäre ist die dritthöchste Schicht der Erdatmosphäre, die die Region über der Stratosphäre und unter der Thermosphäre einnimmt. Es erstreckt sich von der Stratopause in einer Höhe von etwa 50 km; 160.000 ft) bis zur Mesopause bei 80 bis 85 km (50–53 mi; 260.000–280.000 ft) über dem Meeresspiegel.

Die Temperaturen sinken mit zunehmender Höhe auf die Mesopause Das markiert die Oberseite dieser mittleren Schicht der Atmosphäre. Es ist der kälteste Ort der Erde und hat eine durchschnittliche Temperatur von –85° C (–120° F; 190K).[24][25]

Direkt unterhalb der Mesopause ist die Luft so kalt, dass selbst der sehr knappe Wasserdampf in dieser Höhe zu polarem Mesosphärer sublimieren kann Noctilucent Clouds von Eispartikeln. Dies sind die höchsten Wolken in der Atmosphäre und können für das bloßende Auge sichtbar sein, wenn Sonnenlicht etwa ein oder zwei Stunden nach Sonnenuntergang oder ähnlich vor Sonnenaufgang nachwirkt. Sie sind am leichtesten sichtbar, wenn die Sonne etwa 4 bis 16 Grad unter dem Horizont liegt. Blitzinduzierte Entladungen, die als bekannt sind vorübergehende leuchtende Ereignisse (Tles) bilden sich gelegentlich in der Mesosphäre über troposphärisch Donnerwolken. Die Mesosphäre ist auch die Schicht, auf der die meisten Meteore Auf dem atmosphärischen Eingang verbrennen. Es ist zu hoch über der Erde, um für Jet-betriebene Flugzeuge und Luftballons zugänglich zu sein, und zu niedrig, um das Raumfahrzeug des Orbitals zu ermöglichen. Die Mesosphäre wird hauptsächlich von zugegriffen Raketen klingen und Raketenflugzeuge.

Stratosphäre

Hauptartikel: Stratosphäre

Die Stratosphäre ist die zweitniedrigste Schicht der Erdatmosphäre. Es liegt über der Troposphäre und wird durch die von ihr getrennt Tropopause. Diese Schicht erstreckt sich von der Oberseite der Troposphäre bei ungefähr 12 km (7,5 mi; 39.000 ft) über der Erdoberfläche zur Erde Stratopause in einer Höhe von etwa 50 bis 55 km (31 bis 34 mi; 164.000 bis 180.000 Fuß).

Der atmosphärische Druck an der Oberseite der Stratosphäre beträgt ungefähr 1/1000 Druck auf Meereshöhe. Es enthält die Ozonschicht, der Teil der Erdatmosphäre ist, die relativ hohe Konzentrationen dieses Gases enthält. Die Stratosphäre definiert eine Schicht, in der die Temperaturen mit zunehmender Höhe steigen. Dieser Temperaturanstieg wird durch die Absorption von verursacht UV-Strahlung (UV) Strahlung aus der Sonne durch die Ozonschicht, die Turbulenzen und Mischen einschränkt. Obwohl die Temperatur bei Tropopause –60 ° C (–76 ° F; 210 K) betragen kann, ist die Oberseite der Stratosphäre viel wärmer und kann nahe 0 ° C liegen.[26]

Das stratosphärische Temperaturprofil erzeugt sehr stabile atmosphärische Bedingungen, sodass der Stratosphäre die wetterproduzierenden Luftturbulenz fehlt, die in der Troposphäre so verbreitet ist. Folglich ist die Stratosphäre fast vollständig frei von Wolken und anderen Wetterformen. Polar stratosphärisch oder jedoch Windelwolken sind gelegentlich im unteren Teil dieser Schicht der Atmosphäre zu sehen, in der die Luft kälteste ist. Die Stratosphäre ist die höchste Schicht, auf die zugegriffen werden kann Jet-betriebene Flugzeuge.

Troposphäre

Hauptartikel: Troposphäre

Die Troposphäre ist die niedrigste Schicht der Erdatmosphäre. Es erstreckt sich von der Erdoberfläche bis zu einer durchschnittlichen Höhe von 7,5 mi; 39.000 ft), obwohl dies ist Höhe variiert von etwa 9 km (30.000 ft) an der Geografische Pole bis 17 km (11 mi; 56.000 ft) am Äquator,[22] mit einiger Variationen aufgrund von Wetter. Die Troposphäre wird oben durch die begrenzt Tropopause, eine Grenze, die an den meisten Orten von a gekennzeichnet ist Temperaturinversion (d. H. Eine Schicht relativ warmer Luft über einem kälteren) und in anderen durch eine Zone, die ist isotherm mit Größe.[27][28]

Obwohl Variationen auftreten, nimmt die Temperatur normalerweise mit zunehmender Höhe in der Troposphäre ab, da die Troposphäre größtenteils durch die Energieübertragung von der Oberfläche erhitzt wird. Somit ist der niedrigste Teil der Troposphäre (d. H. Die Erdoberfläche) typischerweise der wärmste Teil der Troposphäre. Dies fördert die vertikale Mischung (daher der Ursprung seines Namens im griechischen Wort τρόπος, Tropos, was "drehen"). Die Troposphäre enthält ungefähr 80% der Masse der Erdatmosphäre.[29] Die Troposphäre ist dichter als alle ihre darüber liegenden Schichten, da ein größeres atmosphärisches Gewicht oben auf der Troposphäre liegt und sie am stärksten komprimiert wird. Fünfzig Prozent der Gesamtmasse der Atmosphäre befinden sich in den unteren 5,6 km (18.000 ft) der Troposphäre.

Nahezu alle atmosphärischen Wasserdampf oder Feuchtigkeit finden sich in der Troposphäre, so dass es die Schicht ist, in der der größte Teil des Erdwetters stattfindet. Es hat im Grunde alle wetter-assoziierten Wolkengattungen, die durch aktive Windkreislauf erzeugt werden, obwohl sehr hohe Cumulonimbus-Wolken in die Tropopause von unten durchdringen und in den unteren Teil der Stratosphäre aufsteigen können. Am konventionellsten Luftfahrt Die Aktivität findet in der Troposphäre statt und ist die einzige Schicht, auf die zugegriffen werden kann propellergetriebenes Flugzeug.

Space Shuttle Bemühen Umkreislauf in der Thermosphäre. Aufgrund des Fotowinkels scheint es die Stratosphäre und Mesosphäre zu überspannen, die tatsächlich mehr als 250 km unten liegen. Die orange Schicht ist die Troposphäre, was dem Weißen Platz macht Stratosphäre Und dann das Blau Mesosphäre.[30]

Andere Schichten

Innerhalb der fünf oben genannten Hauptschichten, die weitgehend durch Temperatur bestimmt werden, können mehrere sekundäre Schichten durch andere Eigenschaften unterschieden werden:

  • Das Ozonschicht ist in der Stratosphäre enthalten. In dieser Schicht Ozon Die Konzentrationen betragen etwa 2 bis 8 Teile pro Million, was viel höher ist als in der unteren Atmosphäre, aber im Vergleich zu den Hauptkomponenten der Atmosphäre immer noch sehr klein. Es befindet sich hauptsächlich im unteren Teil der Stratosphäre von etwa 15 bis 35 km (9,3–21,7 mi; 49.000–115.000 Fuß), obwohl die Dicke saisonal und geografisch variiert. Etwa 90% des Ozons in der Erdatmosphäre sind in der Stratosphäre enthalten.
  • Das Ionosphäre ist eine Region der Atmosphäre, die durch Sonnenstrahlung ionisiert wird. Es ist verantwortlich für Auroras. Während der Tageszeit erstreckt sich es von 50 bis 1000 km; 160.000 bis 3.280.000 Fuß) und umfasst die Mesosphäre, die Thermosphäre und Teile der Exosphäre. Die Ionisation in der Mesosphäre hört jedoch hauptsächlich in der Nacht auf, so dass Auroren normalerweise nur in der Thermosphäre und einer niedrigeren Exosphäre gesehen werden. Die Ionosphäre bildet den inneren Rand der Magnetosphäre. Es hat praktische Bedeutung, weil es zum Beispiel die Funkverbreitung auf der Erde beeinflusst.
  • Die Homosphäre und Heterosphäre werden dadurch definiert, ob die atmosphärischen Gase gut gemischt sind. Die oberflächenbasierte Homosphäre umfasst Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und den niedrigsten Teil der Thermosphäre, in dem die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre nicht vom Molekulargewicht abhängt, da die Gase durch Turbulenzen gemischt werden.[31] Diese relativ homogene Schicht endet an der Turbopause gefunden bei etwa 100 km (330.000 ft), die sehr Rand des Raums sich selbst als akzeptiert von der Fai, wodurch es etwa 20 km über der Mesopause liegt.
Über dieser Höhe liegt die Heterosphäre, die die Exosphäre und den größten Teil der Thermosphäre umfasst. Hier variiert die chemische Zusammensetzung mit der Höhe. Das liegt daran, dass die Entfernung, die sich Partikel bewegen können, ohne miteinander zu kollidieren ist groß im Vergleich zu der Größe der Bewegungen, die das Mischen verursachen. Dies ermöglicht es den Gasen, durch Molekulargewicht zu schichten, wobei die schwereren wie Sauerstoff und Stickstoff nur nahe am Boden der Heterosphäre vorhanden sind. Der obere Teil der Heterosphäre besteht fast vollständig aus Wasserstoff, dem leichtesten Element.[Klarstellung erforderlich]
  • Das Planetary Grenzschicht ist der Teil der Troposphäre, der der Erdoberfläche am nächsten ist und direkt von ihr betroffen ist, hauptsächlich durch Turbulente Diffusion. Tagsüber ist die planetarische Grenzschicht normalerweise gut gemischt, während sie nachts mit schwachem oder intermittierendem Mischen stabil geschichtet wird. Die Tiefe der planetarischen Grenzschicht reicht von nur etwa 100 Metern (330 Fuß) in klaren, ruhigen Nächten bis 3.000 m (9.800 Fuß) oder mehr während des Nachmittags in trockenen Regionen.

Die durchschnittliche Temperatur der Atmosphäre an der Erdoberfläche beträgt 14 ° C (57 ° F; 287 K)[32] oder 15 ° C (59 ° F; 288 K),[33] Abhängig von der Referenz.[34][35][36]

Physikalische Eigenschaften

Vergleich der 1962 US -Standardatmosphäre Graph von Geometrische Höhe gegen Luftdichte, Druck, das Schallgeschwindigkeit und Temperatur mit ungefähren Höhen verschiedener Objekte.[37]

Druck und Dicke

Hauptartikel: Luftdruck

Der durchschnittliche atmosphärische Druck auf Meereshöhe wird durch die definiert Internationale Standardatmosphäre als 101325 Pascals (760.00Torr; 14.6959Psi; 760.00mmhg). Dies wird manchmal als Einheit von bezeichnet Standardatmosphären (ATM). Gesamtatmosphärische Masse beträgt 5,1480 × 1018 kg (1,135 × 1019 Pfund),[38] Etwa 2,5% weniger als aus dem durchschnittlichen Meeresspiegel -Druck und der Erdfläche von 51007,2 Megahektars abgeleitet werden, wobei dieser Teil durch das Gebirge der Erde vertrieben wird. Der atmosphärische Druck ist das Gesamtgewicht der Luft über dem Einheitsbereich an dem Punkt, an dem der Druck gemessen wird. Somit variiert der Luftdruck mit der Lage und Wetter.

Wenn die gesamte Masse der Atmosphäre eine gleichmäßige Dichte der Meeresspiegeldichte hatte (ca. 1,2 kg pro m3) Von dem Meeresspiegel nach oben würde es abrupt in einer Höhe von 8,50 km (27.900 Fuß) enden.

Der Luftdruck nimmt tatsächlich exponentiell mit der Höhe ab und sinkt alle 5,6 km (18.000 ft) oder um den Faktor von 1///e (0,368) alle 7,64 km (25.100 ft) (dies wird als die genannt Skalierungshöhe) - für Höhen auf rund 70 km; 230.000 Fuß). Die Atmosphäre ist jedoch genauer mit einer maßgeschneiderten Gleichung für jede Schicht modelliert, die Gradienten von Temperatur, molekularer Zusammensetzung, Sonnenstrahlung und Schwerkraft berücksichtigt. Bei Höhen über 100 km kann eine Atmosphäre nicht mehr gut gemischt sein. Dann hat jede chemische Spezies ihre eigene Skalenhöhe.

Zusammenfassend ist die Masse der Erdatmosphäre ungefähr wie folgt verteilt:[39]

  • 50% liegen unter 5,6 km (18.000 Fuß).
  • 90% liegen unter 16 km (52.000 Fuß).
  • 99,99997% liegen unter 100 km (330.000 ft), die Kármán Linie. Nach internationalem Kongress markiert dies den Beginn des Raums, in dem menschliche Reisende berücksichtigt werden Astronauten.

Im Vergleich dazu der Gipfel von Mt. Everest ist bei 8.848 m (29.029 ft); kommerziell Fluggesellschaften In der Regel zwischen 10 und 13 km (33.000 und 43.000 Fuß), wobei die geringere Dichte und Temperatur der Luft den Kraftstoffverbrauch verbessern; Wetterballon Erreichen Sie 30,4 km (100.000 Fuß) und höher; und das höchste X-15 Der Flug im Jahr 1963 erreichte 108,0 km (354.300 Fuß).

Auch über der Kármán -Linie, signifikante atmosphärische Effekte wie Auroras immer noch vorkommen. Meteore Beginnen Sie in dieser Region zu leuchten, obwohl die größeren möglicherweise nicht verbrennen, bis sie tiefer eindringen. Die verschiedenen Schichten der Erde Ionosphäre, wichtig für HF Radio Ausbreitung, beginnen Sie unter 100 km und erstrecken sich über 500 km. Im Vergleich dazu die Internationale Raumstation und Space Shuttle in der Regel bei 350–400 km innerhalb der F-Layer der Ionosphäre, in der sie genug begegnen atmosphärischer Luftwiderstand Ansonsten alle paar Monate Neubeschränkungen benötigen, um Orbitalverfall wird auftreten, was zu einer Rückkehr zur Erde führt. Abhängig von der Sonnenaktivität können Satelliten in Höhen von bis zu 700 bis 800 km einen bemerkenswerten atmosphärischen Luftwiderstand erleben.

Temperatur

Hauptartikel: Atmosphärische Temperatur
Temperaturtrends in zwei dicken Schichten der Atmosphäre, gemessen zwischen Januar 1979 und Dezember 2005 von mikrowellengeräusche Einheiten und Erweiterte Mikrowellen -Klingeleinheiten an NOAA Wettersatelliten. Die Instrumente zeichnen Mikrowellen auf, die aus Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre emittiert werden. Quelle:[40]

Die Aufteilung der Atmosphäre in Schichten hauptsächlich unter Bezugnahme auf die Temperatur wird oben diskutiert. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab dem Meereshöhe ab, aber die Variationen dieses Trends beginnen über 11 km, wobei sich die Temperatur über einen großen vertikalen Abstand durch den Rest der Troposphäre stabilisiert. In dem StratosphäreMit etwa 20 km steigt die Temperatur aufgrund des Erhitzens innerhalb der Ozonschicht, die durch die Erfassung von signifikanten Erhöhungen verursacht wird Ultraviolett Strahlung aus dem Sonne durch Dioxygen und Ozongas in dieser Region. Ein weiterer Bereich mit zunehmender Temperatur mit Höhe tritt in sehr hohen Höhen in der treffend benannten Löschung auf Thermosphäre über 90 km.

Schallgeschwindigkeit

Hauptartikel: Schallgeschwindigkeit

Weil in an ideales Gas der konstanten Zusammensetzung die Schallgeschwindigkeit Hängt nur von der Temperatur und nicht von dem Druck oder der Dichte ab, die Schallgeschwindigkeit in der Atmosphäre mit der Höhe enthält die Form des komplizierten Temperaturprofils (siehe Abbildung rechts) und spiegelt keine Altitudinaländerungen von Dichte oder Druck wider.

Dichte und Masse

Temperatur- und Massendichte gegen die Höhe von der NRLMSISE-00 Standardatmosphäre Modell (die acht gepunkteten Linien in jedem "Jahrzehnt" befinden sich an den acht Würfeln 8, 27, 64, ..., 729)
Hauptartikel: Luftdichte

Die Luftdichte auf Meereshöhe beträgt ca. 1,2 kg/m3 (1,2 g/l, 0,0012 g/cm3). Die Dichte wird nicht direkt gemessen, sondern aus Messungen von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit unter Verwendung der Zustandsgleichung für Luft (eine Form der Form der ideal gas law). Die atmosphärische Dichte nimmt mit zunehmender Höhe ab. Diese Variation kann ungefähr mit dem modelliert werden Barometrische Formel. Ausgefugtere Modelle werden verwendet, um den Orbitalverfall von Satelliten vorherzusagen.

Die durchschnittliche Masse der Atmosphäre beträgt etwa 5 Quadrillionen (5)×1015) Tonnen oder 1/1.200.000 die Masse der Erde. Nach Angaben des Amerikaners Nationales Zentrum für atmosphärische Forschung"Die gesamte mittlere Masse der Atmosphäre beträgt 5,1480×1018kg mit einem Jahresbereich aufgrund eines Wasserdampfs von 1,2 oder 1,5×1015kg, je nachdem, ob Oberflächendruck oder Wasserdampfdaten verwendet werden; Etwas kleiner als die vorherige Schätzung. Die mittlere Masse des Wasserdampfs wird auf 1,27 geschätzt×1016kg und die Trockenluftmasse als 5,1352 ± 0,0003×1018kg."

Optische Eigenschaften

Siehe auch: Sonnenlicht

Solar Strahlung (oder Sonnenlicht) ist die Energie, die die Erde von der erhält Sonne. Die Erde gibt auch Strahlung wieder in den Weltraum aus, aber bei längeren Wellenlängen, die Menschen nicht sehen können. Ein Teil der eingehenden und emittierten Strahlung wird durch die Atmosphäre absorbiert oder reflektiert. Im Mai 2017 wurde festgestellt reflektiertes Licht aus Eiskristalle in der Atmosphäre.[41][42]

Streuung

Hauptartikel: Atmosphärische Streuung

Wenn Licht durch die Erdatmosphäre geht, Photonen interagieren mit ihm durch Streuung. Wenn das Licht nicht mit der Atmosphäre interagiert, wird es genannt direkte Strahlung Und ist das, was Sie sehen, wenn Sie direkt auf die Sonne schauen. Indirekte Strahlung ist Licht, das in der Atmosphäre verstreut wurde. Zum Beispiel auf einem bedeckt Tag, an dem Sie Ihren Schatten nicht sehen können, gibt es keine direkte Strahlung, die Sie verstreut wurden. Als ein weiteres Beispiel, aufgrund eines Phänomens genannt Rayleigh Streuung, kürzere (blaue) Wellenlängen leichter als längere (rote) Wellenlängen. Deshalb sieht der Himmel blau aus; Sie sehen verstreutes blaues Licht. Dies ist auch der Grund, warum Sonnenuntergänge rot sind. Da die Sonne nahe am Horizont liegt, gehen die Sonnenstrahlen durch mehr Atmosphäre als normal, bevor Sie Ihr Auge erreichen. Ein Großteil des blauen Lichts wurde verstreut und das rote Licht in einem Sonnenuntergang hinterlassen.

Absorption

Hauptartikel: Absorption (elektromagnetische Strahlung)
Raue Handlung der Erdatmosphäre Durchlässigkeit (oder Opazität) zu verschiedenen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, einschließlich sichtbares Licht.

Verschiedene Moleküle absorbieren unterschiedliche Strahlungswellenlängen. Zum Beispiel o2 und o3 Absorbieren Sie fast alle Strahlung mit Wellenlängen kürzer als 300 Nanometer. Wasser (h2O) Absorbiert bei vielen Wellenlängen über 700 nm. Wenn ein Molekül ein Photon absorbiert, erhöht es die Energie des Moleküls. Dies erhitzt die Atmosphäre, aber die Atmosphäre kühlt auch durch Emission von Strahlung, wie nachstehend erläutert.

Das kombiniert Absorptionsspektren der Gase in der Atmosphäre hinterlassen "Fenster" von niedrig Opazität, um die Übertragung nur bestimmter Lichtbänder zuzulassen. Das Optisches Fenster läuft von etwa 300 nm (Ultraviolett-C) in den Bereich, den Menschen sehen können, die, die sichtbares Spektrum (allgemein als Licht bezeichnet) bei ungefähr 400–700 nm und setzt sich fort Infrarot auf etwa 1100 nm. Es gibt auch Infrarot und Funkfenster das überträgt etwas Infrarot und Radiowellen Bei längeren Wellenlängen. Zum Beispiel läuft das Radiofenster von etwa einem Zentimeter auf etwa elf Meter-Wellen.

Emission

Weitere Informationen: Emission (elektromagnetische Strahlung)

Emission ist das Gegenteil von Absorption, wenn ein Objekt Strahlung emittiert. Objekte neigen dazu, Mengen und Wellenlängen der Strahlung abhängig von ihrer "zu emittieren"Schwarzer Körper"Emissionskurven, daher sind heißere Objekte dazu neigen, mehr Strahlung mit kürzeren Wellenlängen zu emittieren. Kältere Objekte emittieren weniger Strahlung mit längeren Wellenlängen. Zum Beispiel beträgt die Sonne ungefähr 6.000K (5,730° C; 10.340° F) seine Strahlungspeaks in der Nähe von 500 nm und ist für das menschliche Auge sichtbar. Die Erde beträgt ungefähr 290 K (17 ° C; 62 ° F), so dass ihre Strahlung annähernd 10.000 nm und viel zu lang ist, um für den Menschen sichtbar zu sein.

Aufgrund ihrer Temperatur emittiert die Atmosphäre Infrarotstrahlung. Zum Beispiel kühlt sich in klaren Nächten die Erdoberfläche schneller ab als in wolkigen Nächten. Dies liegt daran, dass Wolken (h2O) sind starke Absorber und Emitter der Infrarotstrahlung. Dies ist auch der Grund, warum es nachts in höheren Lagen kälter wird.

Das Treibhauseffekt steht in direktem Zusammenhang mit diesem Absorptions- und Emissionseffekt. Einige Gase in der Atmosphäre absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung, interagieren jedoch nicht mit Sonnenlicht im sichtbaren Spektrum. Häufige Beispiele dafür sind co2 und h2Ö.

Brechungsindex

Verzerrende Wirkung von Atmosphärische Brechung auf die Form der Sonne am Horizont.
Hauptartikel: Atmosphärische Brechung
Siehe auch: Szintillation (Astronomie)

Das Brechungsindex Luft ist nahe bei der Luft, aber nur größer als 1. systematische Variationen im Brechungsindex können zum Biegen von Lichtstrahlen über lange optische Pfade führen. Ein Beispiel ist, dass Beobachter an Bord von Schiffen unter bestimmten Umständen andere Schiffe direkt über dem sehen können Horizont weil Licht in die gleiche Richtung wie die gebrochen wird Krümmung der Erdoberfläche.

Der Brechungsindex der Luft hängt von der Temperatur ab,[43] Erzeugung zu Brechungseffekten, wenn der Temperaturgradient groß ist. Ein Beispiel für solche Effekte ist das Fata Morgana.

Verkehr

Hauptartikel: Atmosphärische Zirkulation
Eine idealisierte Ansicht von drei Paaren großer Zirkulationszellen.

Atmosphärische Zirkulation ist die große Bewegung von Luft durch die Troposphäre und die Mittel (mit Ozeanzirkulation) durch welche Wärme um die Erde verteilt ist. Die groß angelegte Struktur der atmosphärischen Kreislauf variiert von Jahr zu Jahr, aber die Grundstruktur bleibt ziemlich konstant, da sie durch die Rotationsrate der Erde und die Differenz der Sonnenstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen bestimmt wird.

Entwicklung der Erdatmosphäre

Siehe auch: Geschichte der Erde und Paläoklimatologie

Früheste Atmosphäre

Die erste Atmosphäre bestand aus Gasen in der Solarnebel, in erster Linie Wasserstoff. Es gab wahrscheinlich einfache Hydride, wie sie jetzt in der gefunden wurden Gasriesen (Jupiter und Saturn), insbesondere Wasserdampf, Methan und Ammoniak.[44]

Zweite Atmosphäre

Siehe auch: Präbiotische Atmosphäre

Übertreffen von Vulkanismus, ergänzt durch Gase, die während der produziert werden Spät schwere Bombardierung von der Erde durch riesige Asteroiden, produzierte die nächste Atmosphäre, die größtenteils aus bestand Stickstoff- Plus Kohlendioxid und inerte Gase.[44] Ein Hauptbestandteil der in Wasser gelösten Kohlendioxidemissionen und reagierte mit Metallen wie Calcium und Magnesium während der Verwitterung von Krustengesteinen, um Carbonate zu bilden, die als Sedimente abgelagert wurden. Es wurden wasserbezogene Sedimente festgestellt, dass vor 3,8 Milliarden Jahren das Datum vor 3,8 Milliarden Jahren.[45]

Vor etwa 3,4 Milliarden Jahren bildete Stickstoff den größten Teil der damals stabilen "zweiten Atmosphäre". Der Einfluss des Lebens muss in der Geschichte der Atmosphäre ziemlich bald berücksichtigt werden, da Hilfsmittel der frühen Lebensformen bereits vor 3,5 Milliarden Jahren erscheinen.[46] Wie die Erde zu dieser Zeit ein Klima warm war, das für flüssiges Wasser und Leben warm genug war, wenn die frühe Sonne 30% niedrigere Solarstrahlen als heute ausbringt, ist ein Rätsel, das als "bekannt ist"schwacher junger Sonnenparadoxon".

Die geologische Aufzeichnung zeigt jedoch eine kontinuierliche relativ warme Oberfläche während des gesamten frühen Zeit Temperaturaufzeichnung der Erde - mit Ausnahme einer kalten Gletscherphase vor etwa 2,4 Milliarden Jahren. Spät Archäer Äon Eine sauerstoffhaltige Atmosphäre begann sich zu entwickeln, die offenbar durch Photosynthesizing hergestellt wurde Cyanobakterien (sehen Tolles Sauerstoffverfahren), die als gefunden wurden als Stromatolit Fossilien vor 2,7 Milliarden Jahren. Die frühe grundlegende Kohlenstoffisotopie (Isotopenverhältnis Proportionen) deuten stark auf Bedingungen hin, die dem Strom ähneln, und dass die grundlegenden Merkmale der Kohlenstoffzyklus wurde vor 4 Milliarden Jahren gegründet.

Alte Sedimente in dem Gabon Die Datierung von etwa 2,15 und 2,08 Milliarden Jahren liefert einen Rekord der dynamischen Sauerstoffentwicklung der Erde. Diese Schwankungen bei der Sauerstoffversorgung wurden wahrscheinlich durch den Ausflug von Lomagundi Carbon Isotopen angetrieben.[47]

Dritte Atmosphäre

Sauerstoffgehalt der Atmosphäre in den letzten Milliarden Jahren[48][49]

Die ständige Neuarrangement von Kontinenten durch Plattentektonik beeinflusst die langfristige Entwicklung der Atmosphäre durch Übertragung von Kohlendioxid in und von großen kontinentalischen Carbonatspeichern. Freier Sauerstoff existierte in der Atmosphäre erst vor etwa 2,4 Milliarden Jahren während der Tolles Sauerstoffverfahren und sein Aussehen wird am Ende der angezeigt gebänderte Eisenformationen.

Vor dieser Zeit wurde jeder von der Photosynthese erzeugte Sauerstoff von der verbraucht Oxidation von reduzierten Materialien, insbesondere Eisen. Freie Sauerstoffmoleküle haben sich nicht in der Atmosphäre ansammeln Material reduzieren Das entfernte Sauerstoff. Dieser Punkt bedeutet eine Verschiebung von a Reduzierung der Atmosphäre zu einem Oxidation Atmosphäre. Ö2 zeigten größere Variationen, bis sie bis zum Ende des Präkambriums einen stationären Zustand von mehr als 15% erreichten.[50] Die folgende Zeitspanne von 539 Millionen Jahren bis heute ist die Phanerozoikum Eon, während der frühesten Zeit der, die, die, die Cambrian, Sauerstoffempfang Metazoan Lebensformen begannen zu erscheinen.

Die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre hat in den letzten 600 Millionen Jahren schwankt und erreichte einen Höchststand von etwa 30% vor etwa 280 Millionen Jahren, was deutlich höher ist als heute 21%. Zwei Hauptprozesse regeln Veränderungen in der Atmosphäre: Pflanzen Verwendung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und Sauerstoff freisetzen und dann nachts Sauerstoff mit etwas Sauerstoff verwenden Photorespiration während der verbleibende Sauerstoff zum Abbau von organisches Material verwendet wird. Aufschlüsselung von Pyrit und Vulkanausbrüche Veröffentlichung Schwefel in die Atmosphäre, die mit Sauerstoff reagiert und somit ihre Menge in der Atmosphäre verringert. Vulkanausbrüche füllen jedoch auch Kohlendioxid frei, die Pflanzen in Sauerstoff umwandeln können. Die Ursache für die Variation der Sauerstoffmenge in der Atmosphäre ist nicht bekannt. Perioden mit viel Sauerstoff in der Atmosphäre sind mit der schnellen Entwicklung von Tieren verbunden.

Luftverschmutzung

Hauptartikel: Luftverschmutzung

Luftverschmutzung ist die Einführung in die Atmosphäre von Chemikalien, Partikel oder Biologische Materialien das verursacht den Organismen Schaden oder Unbehagen.[51] Stratosphärisch Ozonabbau wird durch Luftverschmutzung verursacht, hauptsächlich von Chlorfluorkohlenwasserstoffe und andere ozonabläufige Substanzen.

Seit 1750 hat die menschliche Aktivität die Konzentrationen verschiedene Treibhausgase erhöht, vor allem Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Dieser Anstieg hat eine verursacht beobachtete Anstieg der globalen Temperaturen. Globale durchschnittliche Oberflächentemperaturen waren 1,1 ° C höher in den Jahrzehnten 2011-2020 als im Jahr 1850.[52]

Animation zeigt den Aufbau von Troposphärischen Co.2 in der nördlichen Hemisphäre mit einem Maximum um Mai. Das Maximum im Vegetationszyklus folgt im Spätsommer. Nach dem Peak in der Vegetation der Abzug des atmosphärischen CO2 Aufgrund der Photosynthese ist offensichtlich, insbesondere über die Boreale Wälder.

Bilder vom Raum

Hauptartikel: Wettersatelliten

Am 19. Oktober 2015 startete die NASA eine Website mit täglichen Bildern der vollen Sonneneinstrahlung der Erde unter https://epic.gsfc.nasa.gov/. Die Bilder stammen aus dem Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) und zeigen Sie die Erde, während sie sich tagsüber dreht.[53]

  • Blue light is scattered more than other wavelengths by the gases in the atmosphere, giving Earth a blue halo when seen from space.

    Blaues Licht ist mehr verstreut als andere Wellenlängen durch die Gase in der Atmosphäre, die die Erde ein Blau geben Heiligenschein wenn aus dem Raum gesehen.

  • The geomagnetic storms cause displays of aurora across the atmosphere.

    Das Geomagnetische Stürme Ursache Displays von Aurora über die Atmosphäre.

  • Limb view, of Earth's atmosphere. Colors roughly denote the layers of the atmosphere.

    Gliedmaßenansicht, der Erdatmosphäre. Farben bezeichnen die Schichten der Atmosphäre grob.

  • This image shows the Moon at the centre, with the limb of Earth near the bottom transitioning into the orange-colored troposphere. The troposphere ends abruptly at the tropopause, which appears in the image as the sharp boundary between the orange- and blue-colored atmosphere. The silvery-blue noctilucent clouds extend far above Earth's troposphere.

    Dieses Bild zeigt den Mond in der Mitte, wobei der Glied der Erde in der Nähe des Bodens in die orangefarbene Troposphäre übergeht. Die Troposphäre endet abrupt an der Tropopause, die im Bild als scharfe Grenze zwischen der orange und blau gefärbten Atmosphäre erscheint. Der silberblaue Noctilucent Clouds sich weit über der Troposphäre der Erde erstrecken.

  • Earth's atmosphere backlit by the Sun in an eclipse observed from deep space onboard Apollo 12 in 1969.

    Erdatmosphäre von der Sonne in einem zurückleuchtet Finsternis beobachtet von Weltraum am Bord Apollo 12 1969.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links