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Homosphäre und Heterosphäre Neben der üblichen Einteilung einer Atmosphäre und speziell der Erdatmosphäre nach ihrem ver

Homosphäre und Heterosphäre

Neben der üblichen Einteilung einer Atmosphäre und speziell der Erdatmosphäre nach ihrem vertikalen Temperaturgradienten ist in der Meteorologie auch die Unterscheidung zwischen Homosphäre (von griech. ὁμός homós „gleich“) und Heterosphäre (von griech. ἕτερος héteros „der andere“, „ungleich“) gebräuchlich. In der Homosphäre sind die Atmosphärengase gut durchmischt, in der darüber liegenden Heterosphäre beginnen sich die Atmosphärenbestandteile mit wachsender Höhe zunehmend zu entmischen.

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse der Luft in Abhängigkeit von der Höhe.
In einer Höhe von ca. 100 km ändert sich die Charakteristik der beiden Kurven. Hier liegt die Grenze zwischen Homosphäre (unterhalb) und Heterosphäre (oberhalb).

Der Übergangsbereich zwischen beiden wird als Homopause oder Turbopause bezeichnet, dieser liegt im Fall der Erde in einer Höhe von etwa 80 bis 120 Kilometern.

Skalenhöhe und Entmischung Bearbeiten

Gemäß der Boltzmann-Statistik nimmt die Dichte eines Gases, welches sich in einem homogenen Gravitationsfeld im thermischen Gleichgewicht befindet, exponentiell mit der Höhe ab. Die Höhendifferenz H, über welche hinweg die Dichte jeweils um einen Faktor e = 2,718… fällt, ist die Skalenhöhe der betreffenden Atmosphäre, und es gilt:

mit

Da die Gase, aus welchen sich die Erdatmosphäre zusammensetzt, unterschiedliche molare Massen aufweisen, sind auch die Skalenhöhen dieser Luftbestandteile zum Teil sehr verschieden. Für eine Temperatur von 0 °C beispielsweise betragen die Skalenhöhen von

Argon : H = 5.980 m
molekularem Sauerstoff : H = 7.480 m
molekularem Wasserstoff : H = 119.500 m.

Auch wenn die idealisierten Voraussetzungen für diese beispielhaften Rechnungen in der realen Erdatmosphäre nicht strikt erfüllt sind (insbesondere die Lufttemperatur in unterschiedlichen Höhen sehr variabel ist), so wäre dennoch grundsätzlich zu erwarten, dass die Atmosphäre sich teilweise entmischt, dass also die schweren Bestandteile mit geringer Skalenhöhe sich in Bodennähe konzentrieren und in größeren Höhen die leichteren Bestandteile mit größerer Skalenhöhe vorherrschen.

Homosphäre Bearbeiten

Die Beobachtung zeigt jedoch, dass in der Troposphäre und im Wesentlichen auch in der Stratosphäre und Mesosphäre die Zusammensetzung der Atmosphäre praktisch unabhängig von der Höhe ist. Turbulenzen und großräumige Vertikalbewegungen durchmischen die Atmosphäre in diesem Bereich konvektiv so wirksam, dass sich keine Entmischung durchsetzen kann. Diese gut durchmischte Schicht, die sich bis in eine Höhe von etwa 100 km erstreckt, wird als Homosphäre bezeichnet.

Aufgrund der konstanten Zusammensetzung weist das Gemisch „Luft“ bis in eine Höhe von etwa 80 km stets dieselbe mittlere Molmasse von etwa 29 g/mol auf. Barometrische Höhenformeln können daher die Luft bis in jene Höhen als einheitliches Gas mit dieser Molmasse behandeln.

Allerdings nimmt der Wasserdampfgehalt in der Troposphäre mit der Höhe stark ab, weil die mit der Höhe absinkende Temperatur immer geringere maximale Dampfdrücke zulässt. So ist der Wasserdampfdruck in 10 km Höhe typischerweise auf etwa 1 ‰ des Bodenwertes gefallen (der Luftdruck hingegen nur auf 25 % des Bodendrucks).

Auch die höhenabhängige Bildung von Ozon und anderen Spurengasen führt zu einer ebenfalls höhenabhängigen Konzentration dieser Luftkomponenten.

Die Homosphäre der Erde enthält mit über 99,9 % der Teilchen den hauptsächlichen Anteil der Atmosphäre. Die Höhe von 100 km (Kármán-Linie) wird seitens der Fédération Aéronautique Internationale als Grenze zum Weltraum angesehen, da hier (bei einer Temperatur von −80 °C und einem Luftdruck von 0,03 Pascal, also 0,00003 % des Luftdrucks auf Meereshöhe) die zum Erhalt des Auftriebs benötigte Fluggeschwindigkeit den Wert der Bahngeschwindigkeit erreicht, welche zum Erhalt einer Erdumlaufbahn benötigt wird. Diese Definition der Grenze zwischen Luft- und Weltraum ist international weitestgehend anerkannt, wenngleich zum Beispiel die NASA diese Grenze abweichend schon bei der Mesopause ansetzt.

Heterosphäre Bearbeiten

In größeren Höhen treten wegen der zunehmenden freien Weglängen (in Bodennähe: etwa 0,06 μm, in 100 km Höhe: etwa 15 cm, in 200 km Höhe: etwa 200 m) von der Molmasse abhängige molekulare Diffusionsvorgänge auf. Somit findet in diesem als Heterosphäre bezeichneten Bereich die von der Boltzmann-Statistik verlangte gaskinetische Entmischung tatsächlich statt: z. B. ist die mittlere Molmasse der Luft in 700 km Höhe auf etwa 16 g/mol zurückgegangen (entspricht atomarem Sauerstoff) und sinkt in noch größeren Höhen auf 4 g/mol (Helium) und schließlich 1 g/mol (Wasserstoff).

Die großen freien Weglängen bewirken, dass sich die Gasteilchen kaum mehr zu kollektiven Bewegungsvorgängen zusammenfinden können, so dass es in der Heterosphäre praktisch keine Winde mehr gibt. Abgasfahnen aufsteigender Raketen werden daher in der Homosphäre meist durch Höhenwinde wechselnder Richtung verschleppt, ohne dass sich ihr Durchmesser wesentlich ändert, während sie in der Heterosphäre schnell auseinanderdiffundieren.

Neben der gaskinetischen Entmischung beeinflusst auch die durch die Ultraviolettstrahlung der Sonne ausgelöste Dissoziationsvorgänge die Zusammensetzung der Atmosphäre. Oberhalb von etwa 80 km Höhe dissoziieren Kohlendioxid und die verbliebenen Reste von Wasserdampf. Die Dissoziation von O2-Molekülen in O-Atome, welche bereits in einer Höhe von etwa 30 km beginnt und dort zur Bildung von Ozon führt, erzeugt ab etwa 100 km Höhe nur noch freie O-Atome. Oberhalb von etwa 150 km existieren nur noch Spuren von O2.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ W. Roedel: Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 3. Auflage. Springer, Berlin 2000, ISBN 3-540-67180-3. S. 63
  2. G. H. Liljequist, K. Cehak: Allgemeine Meteorologie. 3. Auflage. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1994, ISBN 3-528-23555-1, S. 380
  3. ↑ F. Möller: Einführung in die Meteorologie. Band 1, BI-Wissenschaftsverlag, Mannheim/Wien/Zürich 1991, ISBN 3-411-00276-X, S. 52
  4. F. Möller: Einführung in die Meteorologie. Band 1, BI-Wissenschaftsverlag, Mannheim/Wien/Zürich 1991, ISBN 3-411-00276-X, S. 140
  5. NOAA, NASA, USAF: U.S. Standard Atmosphere, 1976, Washington, D.C. 1976, S. 68: für Z = 100000 m: t = -78.07 °C, P = 3,2011e-4 mb, P/P0 = 3,1593e-7
  6. ↑ F. Möller: Einführung in die Meteorologie. Band 1, BI-Wissenschaftsverlag, Mannheim/Wien/Zürich 1991, ISBN 3-411-00276-X, S. 55
  7. F. Möller: Einführung in die Meteorologie. Band 1, BI-Wissenschaftsverlag, Mannheim/Wien/Zürich 1991, ISBN 3-411-00276-X, S. 54
Die Erdatmosphäre
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Neben der ublichen Einteilung einer Atmosphare und speziell der Erdatmosphare nach ihrem vertikalen Temperaturgradienten ist in der Meteorologie auch die Unterscheidung zwischen Homosphare von griech ὁmos homos gleich und Heterosphare von griech ἕteros heteros der andere ungleich gebrauchlich In der Homosphare sind die Atmospharengase gut durchmischt in der daruber liegenden Heterosphare beginnen sich die Atmospharenbestandteile mit wachsender Hohe zunehmend zu entmischen Durchschnittliche Temperatur und molare Masse der Luft in Abhangigkeit von der Hohe In einer Hohe von ca 100 km andert sich die Charakteristik der beiden Kurven Hier liegt die Grenze zwischen Homosphare unterhalb und Heterosphare oberhalb Der Ubergangsbereich zwischen beiden wird als Homopause oder Turbopause bezeichnet dieser liegt im Fall der Erde in einer Hohe von etwa 80 bis 120 Kilometern Inhaltsverzeichnis 1 Skalenhohe und Entmischung 2 Homosphare 3 Heterosphare 4 EinzelnachweiseSkalenhohe und Entmischung BearbeitenGemass der Boltzmann Statistik nimmt die Dichte eines Gases welches sich in einem homogenen Gravitationsfeld im thermischen Gleichgewicht befindet exponentiell mit der Hohe ab Die Hohendifferenz H uber welche hinweg die Dichte jeweils um einen Faktor e 2 718 fallt ist die Skalenhohe der betreffenden Atmosphare und es gilt H R T M g displaystyle H frac RT Mg nbsp mit R universelle GaskonstanteT absolute TemperaturM molare Masseg ErdbeschleunigungDa die Gase aus welchen sich die Erdatmosphare zusammensetzt unterschiedliche molare Massen aufweisen sind auch die Skalenhohen dieser Luftbestandteile zum Teil sehr verschieden Fur eine Temperatur von 0 C beispielsweise betragen die Skalenhohen von 1 Argon H 5 980 mmolekularem Sauerstoff H 7 480 mmolekularem Wasserstoff H 119 500 m Auch wenn die idealisierten Voraussetzungen fur diese beispielhaften Rechnungen in der realen Erdatmosphare nicht strikt erfullt sind insbesondere die Lufttemperatur in unterschiedlichen Hohen sehr variabel ist so ware dennoch grundsatzlich zu erwarten dass die Atmosphare sich teilweise entmischt dass also die schweren Bestandteile mit geringer Skalenhohe sich in Bodennahe konzentrieren und in grosseren Hohen die leichteren Bestandteile mit grosserer Skalenhohe vorherrschen Homosphare BearbeitenDie Beobachtung zeigt jedoch dass in der Troposphare und im Wesentlichen auch in der Stratosphare und Mesosphare die Zusammensetzung der Atmosphare praktisch unabhangig von der Hohe ist Turbulenzen und grossraumige Vertikalbewegungen durchmischen die Atmosphare in diesem Bereich konvektiv so wirksam dass sich keine Entmischung durchsetzen kann Diese gut durchmischte Schicht die sich bis in eine Hohe von etwa 100 km erstreckt wird als Homosphare bezeichnet 2 Aufgrund der konstanten Zusammensetzung weist das Gemisch Luft bis in eine Hohe von etwa 80 km 3 stets dieselbe mittlere Molmasse von etwa 29 g mol auf Barometrische Hohenformeln konnen daher die Luft bis in jene Hohen als einheitliches Gas mit dieser Molmasse behandeln Allerdings nimmt der Wasserdampfgehalt in der Troposphare mit der Hohe stark ab weil die mit der Hohe absinkende Temperatur immer geringere maximale Dampfdrucke zulasst So ist der Wasserdampfdruck in 10 km Hohe typischerweise auf etwa 1 des Bodenwertes gefallen der Luftdruck hingegen nur auf 25 des Bodendrucks 4 Auch die hohenabhangige Bildung von Ozon und anderen Spurengasen fuhrt zu einer ebenfalls hohenabhangigen Konzentration dieser Luftkomponenten 3 Die Homosphare der Erde enthalt mit uber 99 9 der Teilchen den hauptsachlichen Anteil der Atmosphare Die Hohe von 100 km Karman Linie wird seitens der Federation Aeronautique Internationale als Grenze zum Weltraum angesehen da hier bei einer Temperatur von 80 C und einem Luftdruck von 0 03 Pascal also 0 00003 des Luftdrucks auf Meereshohe 5 die zum Erhalt des Auftriebs benotigte Fluggeschwindigkeit den Wert der Bahngeschwindigkeit erreicht welche zum Erhalt einer Erdumlaufbahn benotigt wird Diese Definition der Grenze zwischen Luft und Weltraum ist international weitestgehend anerkannt wenngleich zum Beispiel die NASA diese Grenze abweichend schon bei der Mesopause ansetzt Heterosphare BearbeitenIn grosseren Hohen treten wegen der zunehmenden freien Weglangen in Bodennahe etwa 0 06 mm in 100 km Hohe etwa 15 cm in 200 km Hohe etwa 200 m 1 von der Molmasse abhangige molekulare Diffusionsvorgange auf Somit findet in diesem als Heterosphare bezeichneten Bereich die von der Boltzmann Statistik verlangte gaskinetische Entmischung tatsachlich statt 1 z B ist die mittlere Molmasse der Luft in 700 km Hohe auf etwa 16 g mol zuruckgegangen entspricht atomarem Sauerstoff und sinkt in noch grosseren Hohen auf 4 g mol Helium und schliesslich 1 g mol Wasserstoff 6 Die grossen freien Weglangen bewirken dass sich die Gasteilchen kaum mehr zu kollektiven Bewegungsvorgangen zusammenfinden konnen so dass es in der Heterosphare praktisch keine Winde mehr gibt Abgasfahnen aufsteigender Raketen werden daher in der Homosphare meist durch Hohenwinde wechselnder Richtung verschleppt ohne dass sich ihr Durchmesser wesentlich andert wahrend sie in der Heterosphare schnell auseinanderdiffundieren 6 Neben der gaskinetischen Entmischung beeinflusst auch die durch die Ultraviolettstrahlung der Sonne ausgeloste Dissoziationsvorgange die Zusammensetzung der Atmosphare Oberhalb von etwa 80 km Hohe dissoziieren Kohlendioxid und die verbliebenen Reste von Wasserdampf Die Dissoziation von O2 Molekulen in O Atome welche bereits in einer Hohe von etwa 30 km beginnt und dort zur Bildung von Ozon fuhrt erzeugt ab etwa 100 km Hohe nur noch freie O Atome Oberhalb von etwa 150 km existieren nur noch Spuren von O2 7 Einzelnachweise Bearbeiten a b c W Roedel Physik unserer Umwelt Die Atmosphare 3 Auflage Springer Berlin 2000 ISBN 3 540 67180 3 S 63 G H Liljequist K Cehak Allgemeine Meteorologie 3 Auflage Vieweg Braunschweig Wiesbaden 1994 ISBN 3 528 23555 1 S 380 a b F Moller Einfuhrung in die Meteorologie Band 1 BI Wissenschaftsverlag Mannheim Wien Zurich 1991 ISBN 3 411 00276 X S 52 F Moller Einfuhrung in die Meteorologie Band 1 BI Wissenschaftsverlag Mannheim Wien Zurich 1991 ISBN 3 411 00276 X S 140 NOAA NASA USAF U S Standard Atmosphere 1976 Washington D C 1976 S 68 fur Z 100000 m t 78 07 C P 3 2011e 4 mb P P0 3 1593e 7 a b F Moller Einfuhrung in die Meteorologie Band 1 BI Wissenschaftsverlag Mannheim Wien Zurich 1991 ISBN 3 411 00276 X S 55 F Moller Einfuhrung in die Meteorologie Band 1 BI Wissenschaftsverlag Mannheim Wien Zurich 1991 ISBN 3 411 00276 X S 54Die ErdatmosphareTroposphare Tropopause Stratosphare Stratopause Mesosphare Mesopause Thermosphare Thermopause Exosphare Exopause nbsp Neutrosphare Ionosphare MagnetosphareHomosphare Heterosphare Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Homosphare und Heterosphare amp oldid 214385404