Atmosphärenwissenschaften: Luft, Klima, Wetter

Weshalb ist die Erdatmosphäre für uns überlebenswichtig?

Alle Lebewesen atmen die in der Atmosphäre enthaltenen Gase. Darüber hinaus ist sie zum einen ein wirksamer Schutz vor der schädlichen kurzwelligen Sonnenstrahlung und zum anderen wirkt sie gegen die eisige Kälte des Weltalls wie ein wärmender Mantel.

Doch unmittelbar nach ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren hatte die Erde überhaupt keine Gashülle. Erst aus den Ausdünstungen erkaltender Lava bildete sich die Uratmosphäre, die vermutlich Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff, Methan und verschiedene Säuren enthielt. Freier Sauerstoff war zunächst nicht vorhanden, doch das war auch gut so: Ohne schützende Zellwände wären die ersten Lebensformen von ihm sofort zersetzt worden.

Mit fortschreitender Abkühlung kondensierte der Wasserdampf und die Ozeane entstanden. Mit den ersten Fotosynthese treibenden Einzellern begann dann vor etwa zwei Milliarden Jahren die Umwandlung des Kohlendioxids in den für uns heute so unverzichtbaren Sauerstoff, bis vor einigen Hundert Millionen Jahren die heutige Sauerstoffkonzentration von knapp 21 Prozent erreicht wurde.

Was ist Luft?

Luft ist der Stoff, mit dem die Erdatmosphäre gefüllt ist. In der Antike hielt man Luft für ein Element, doch heute weiß man, dass sie ein Stoffgemisch ist. Ihre Bestandteile sind Stickstoff, Sauerstoff, verschiedene Edelgase und Kohlendioxid sowie schwankende Mengen Wasserdampf.

Mehr als drei Viertel der Luft bestehen aus Stickstoff. Die Moleküle dieses Gases sind aus zwei Atomen aufgebaut, die sehr fest aneinander gebunden und wenig geneigt sind, Bindungen mit anderen Elementen einzugehen. Daher unterhält Stickstoff keine Verbrennungsprozesse, sondern »erstickt« sie. Das Element Sauerstoff macht etwa ein Fünftel der Luft aus. Es besteht ebenfalls aus zweiatomigen Molekülen, die jedoch weniger stark aneinander gebunden sind. Sauerstoff ist lebensnotwendig, ohne ihn ist keine Atmung möglich. Reiner Sauerstoff, über längere Zeit eingeatmet, wirkt jedoch giftig.

Edelgase sind mit knapp einem Prozent in der Luft vertreten, wobei das Element Argon am häufigsten ist. Die übrigen Gase sind tatsächlich nur in Spuren, das heißt in Bruchteilen von Promillen, vorhanden. So findet sich Kohlendioxid mit einem Anteil von 0,37 Promille. Es ist jedoch für das Bestehen des irdischen Lebens von immenser Bedeutung, den Gehalt dieses Treibhausgases weder zu über- noch zu unterschreiten. Pflanzen benötigen Kohlendioxid für die Fotosynthese, bei der Sauerstoff freigesetzt wird.

Wie wird die Atmosphäre erforscht?

Mithilfe modernster Technik, die am Boden, in Ballonen oder Satelliten installiert ist.

Einige Parameter der unteren Lufthülle lassen sich vom Boden aus messen, so Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und Wind. Um herauszufinden, was sich in höheren Schichten tut, richtete man zunächst Messstationen auf hohen Bergen ein, die für Dauerbeobachtungen noch heute von Bedeutung sind. Mit der Erfindung bemannter Heißluftballons konnte man endlich weiter vorstoßen; bei Messfahrten über 10 km Höhe schwanden jedoch jedem Piloten die Sinne. Daher schickte man bald unbemannte, mit Instrumenten bestückte und mit Helium befüllte Freiballons in die Höhe.

Schon nach dem Ersten Weltkrieg kamen Radiosonden zum Einsatz: kleine Gasballons, die während des ein- bis zweistündigen Aufstiegs in Höhen von 30–50 Kilometern z. B. Feuchte-, Temperatur- und Luftdruckwerte messen und über Kurzwelle an die Bodenstation senden. Platzt der Ballon wegen des sinkenden Luftdrucks, segeln die Instrumente an einem Fallschirm zu Boden. Indem man den Ballon von der Erde aus mit einem sog. Windradar anpeilt, misst man die Richtung und Stärke der Höhenwinde. Radar wird auch zur Niederschlagsmessung eingesetzt: Wassertropfen, Eis und Hagel reflektieren auftreffende Radarstrahlen. Die Stärke der Rückstrahlung (Radarecho) gibt unter anderem Aufschluss über die Niederschlagsintensität, die Zeit bis zum Echo über die Entfernung und der Dopplereffekt über die Bewegung der Partikel. Die Dicke der Ozonschicht erfasst man mit Spektrometern, die das Sonnenlicht analysieren.

1960 wurde der erste Wettersatellit in eine polare Umlaufbahn geschossen. Seit 1963 übertragen die künstlichen Trabanten ihre Messdaten an Bodenstationen und seit 1966 kreisen geostationäre Satelliten 35 Kilometer über dem Äquator – mit derselben Geschwindigkeit, mit der die Erde sich dreht, so dass sie stets denselben Ausschnitt überwachen. Mit fünf geostationären und zwei polarumlaufenden Satelliten lässt sich heute die ganze Erdoberfläche kontinuierlich beobachten.

Wie entsteht das Ozonloch?

Durch Chemikalien, die in 15 bis 30 Kilometern Höhe mit dem Ozon reagieren und es zerstören, dabei selbst aber kaum verändert werden.

Der niederländische Forscher Paul J. Crutzen wies 1970 nach, dass Stickstoffoxide den Ozongehalt verringern. 1974 entdeckten dann die beiden amerikanischen Chemiker Mario Molina und Sherwood Rowland nicht nur, dass auch Chlor dazu in der Lage ist, sondern vor allem, dass es in Form von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in bedrohlichen Mengen in die Ozonschicht gelangt war. FCKWs galten bis dahin als ideale, weil reaktionsträge Kältemittel und Treibgase für Spraydosen. In der Ozonschicht werden sie bei sehr tiefen Temperaturen und intensivem UV-Licht zersetzt und geben dabei das Chlor frei. Jedes Chloratom fördert die Spaltung vieler Zehntausend Ozonmoleküle, wodurch letztlich der UV-Schutzschild durchbrochen wird.

Von wo drohen der Atmosphäre Gefahren?

Insbesondere von der seit etwa 100 Jahren ständig sich intensivierenden Industrialisierung. Sie führte zu einem massiven Ausstoß an schädlichen Gasen, vor dem die Selbstreinigungskräfte der Natur mehr und mehr versagen. Wie groß die von diesen Stoffen angerichteten Schäden sind, hängt nicht nur von der emittierten Menge ab, sondern auch von ihrer Verweildauer sowie möglichen Reaktionsprodukten. Je länger sie existieren, desto weiter kann der Wind sie verteilen – über eine Halbkugel innerhalb weniger Monate, global in ein bis zwei Jahren. Moleküle wie die FCKW werden noch viele Jahrzehnte nach einem totalen Produktionsstopp in der Atmosphäre zu finden sein, weil sie sehr langlebig sind. Andere Stoffe reagieren dagegen chemisch oder werden mit Regen oder Staub aus der Luft entfernt.

Wie zuverlässig sind Wettervorhersagen?

Recht zuverlässig, denn die Meteorologen stützen ihre Aussagen auf Messungen von weltweit fast 15 000 Stationen, in denen Wetterdaten erfasst und meist automatisch an zentrale Einrichtungen übermittelt werden. Einige der wichtigsten Stationen befinden sich in 36 Kilometern Höhe über der Erde. Es sind Wettersatelliten, wie der europäische Meteosat. Mithilfe von Supercomputern berechnet man aus allen zu einer bestimmten Zeit vorliegenden Daten für jeden Punkt des Vorhersagegebiets einen neuen Datensatz für einen etwas späteren Zeitpunkt, daraus wieder neue Daten für den nächsten Zeitschritt und so weiter. Die so entstehenden Kurzfristvorhersagen, die wir als Wetterberichte aus den Medien kennen, liegen gar nicht so schlecht, wie man immer glaubt: Sie haben eine Trefferquote von etwa 85 Prozent. Temperaturen werden sogar mit etwa 90 Prozent Wahrscheinlichkeit richtig vorhergesagt.

Übrigens: Die Meteorologen unterscheiden vier »Zeithorizonte«. Kürzestfristvorhersagen betreffen die nächsten zwölf Stunden. Kurzfristvorhersagen beginnen in zwölf Stunden und umfassen etwa drei Tage. An sie schließen sich die mittelfristigen Vorhersagen an, die sich auf bis zu zehn Tage erstrecken. Der Zeitraum danach wird von den langfristigen Vorhersagen erfasst.

Wie bestimmt das Meer unser Klima?

Durch Meeresströmungen, aber auch durch seine große Wärmespeicherfähigkeit, die extreme Temperaturschwankungen abmildert: Im Sommer heizt sich das Meer auf und speichert die Wärme, im Winter gibt es sie allmählich wieder ab. Meeresströmungen wie der Golfstrom bringen enorme Mengen an Wärmeenergie aus äquatornahen Zonen in hohe Breiten – oder verfrachten bei kalten Strömungen wie dem Humboldt-Strom vor Chiles Küste ein Energiedefizit in umgekehrte Richtung.

Diese Strömungen treten jedoch nicht isoliert auf, sondern bilden ein den ganzen Globus umspannendes System. Kaltes Wasser sinkt im Nordatlantik ab und zieht warmes Oberflächenwasser aus dem Golf von Mexiko in Richtung Nordeuropa. Gleichzeitig strömt das kühle Wasser am Meeresboden den Atlantik entlang, umrundet das Kap der Guten Hoffnung und fließt zum Teil in den Indischen Ozean, zum Teil an der Antarktis entlang bis zum Pazifischen Ozean. Dort steigt das Wasser auf, fließt als Oberflächenströmung im südlichen Indischen Ozean wieder zusammen, umrundet erneut Südafrika und gelangt schließlich quer durch den Südatlantik wieder in Richtung des Golfs von Mexiko, wo sich der Kreis schließt. Die mit den Strömungen verbundene globale Umverteilung von Wärme hat deutliche Auswirkungen auf das Weltklima: So gibt es selbst in Nordnorwegen im Winter eisfreie Häfen und die kühlen Gewässer vor Südamerikas Westküste lassen alle Wolken sich bereits über dem Meer abregnen und machen die Atacama-Wüste in Nordchile zur trockensten Wüste der Welt.

Wird Europa in der Zukunft zu einer Wüste?

Zu welchem Endzustand die durch die sog. Treibhausgase ausgelöste Klimaerwärmung in Europa führen wird, lässt sich noch nicht abschätzen. Doch dass es Verschiebungen der Klimazonen geben wird, ist sicher. Auch mit häufigeren und stärkeren Unwettern muss man rechnen, denn eine Erwärmung bedeutet, dass mehr Energie in der Atmosphäre steckt, die sich entsprechend heftiger entladen kann. Erste Anzeichen des Wandels sind bereits zu sehen: Zugvögel kommen früher zurück, Obstbäume blühen früher und Hochwasser werden häufiger.