Die Schutzhülle über unseren Köpfen

Andes Mountains as seen from Gemini 7 - GPN-2000-001067

400-mal leichter als Wasser, elastisch und Vorbedingung für die Ausbreitung von Schallwellen, sie ist so unentbehrlich für das Leben auf der Erde wie die Sonnenstrahlung und das Wasser: Luft.
Ein Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdunst und einigen weiteren Gasen in geringerer Dosierung umgibt unseren Planeten und bildet eine lebenswichtige Schutzschicht. Die Atmosphäre schützt uns vor Meteoriten und gefährlichen Strahlen (in 30 000 Meter Höhe absorbiert die Ozonschicht den größten Teil der UV-Strahlung der Sonne), versorgt uns mit Sauerstoff und sorgt dafür, dass das Wasser, das von der Erdoberfläche verdunstet, über die Erdoberfläche verteilt wird. Zu jeder Zeit sind in etwa 13 000 Kubikkilometer Wasserdampf in der Atmosphäre enthalten (nur knapp 0,3% des atmosphärischen Wassers sind Wassertropfen in Form von Wolken). Der Wind trägt den Wasserdampf um die ganze Erde und der Wasserkreislauf sorgt dafür, dass diese gewaltige Menge im Laufe eines Jahres bis zu 36-mal ausgetauscht und erneuert wird. Gäbe es die Atmosphäre nicht, so hätten wir auf der Erdoberfläche Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht von fast 300 Grad Celsius und die weltweite Durchschnittstemperatur läge bei minus 18 Grad Celsius.
Die Anziehungskraft der Erde hält dieses Luftgemisch in Erdnähe. Wäre die Erde so klein wie der Mond, würde die Atmosphäre ins Weltall entweichen.
Aus der Distanz betrachtet und im Vergleich mit der Größe der Erde ist die Atmosphäre nur ein sehr dünner Film (siehe Bild oben). Lässt man die Erde in Gedanken schrumpfen auf die Größe einer Apfelsine, dann ist die Luftschicht, die die Erde umgibt, nur noch so dick wie das durchsichtige Papier, mit dem die Apfelsinen manchmal eingewickelt sind.
Die Atmosphäre macht nur etwa ein Millionstel der Erdmasse aus. Das machen aber immerhin noch 5·1015 Tonnen. Teilt man diese Zahl durch die 510 Millionen Quadratkilometer der Erdoberfläche, dann lasten auf jedem Quadratmeter 10 Tonnen (dass wir davon nichts merken, ist dadurch bedingt, dass unser Körper zum größten Teil nicht komprimierbar ist; und wo er es doch ist, ist er mit Luft gefüllt, deren Druck der Außenluft entspricht).
21% der Luftschicht, die die Erde umgibt, sind Sauerstoff, ein faszinierendes und lebenswichtiges Element, das zum ersten Mal vor etwa 2 Milliarden Jahren begann, in die Atmosphäre zu entweichen. Anderthalb Milliarden Jahre später, nachdem sich Landpflanzen immer mehr verbreiteten, stieg der Sauerstoffgehalt an und bildete schließlich vor rund 350 Millionen Jahren 21% des Gasgemischs, das die Erde umgibt, was dem heutigen Prozentsatz entspricht.
Die Geschichte des Sauerstoffs ist eng verbunden mit der Geschichte des Lebens auf unserem Planeten.  Jedes Sauerstoffatom besitzt 8 Elektronen, die sich um den Atomkern bewegen. Die Elektronen bilden die Atomhülle, auf der noch 2 weitere Elektronen Platz haben. Bei jeder sich bietenden Gelegenheit trachtet das Sauerstoffatom danach, 2 Elektronen an sich zu ziehen, was die Reaktionsfreudigkeit des Elementes erklärt. Forscher gehen davon aus, dass Sauerstoff ursprünglich (so wie alle für die Entstehung von Leben wichtigen Elemente) im Inneren sterbender Sterne entstand. Am Ende seiner Lebensphase fällt ein Stern in sich zusammen, was einen enormen Druck und enorm hohe Temperaturen verursacht. Leichtere Elemente werden so zu schwereren Elementen zusammengebacken und es entstehen neue Elemente. Schließlich fällt der Stern in sich zusammen und explodiert als Supernova. Seine Atome werden in das Weltall hinausgeschleudert. So geht eine von mehreren Theorien davon aus, dass solche Ur-Sauerstoffatome sich in der Ur-Atmosphäre der Erde mit Wasserstoffatomen, die den Ausgasungen der Ur-Vulkane entstammen, verbunden haben und die Entstehung der ersten Wassermoleküle auf der Erde ermöglicht haben. Nachdem sich die Erde ausreichend abgekühlt hatte, kam es zu einem Dauerregen von vielen Millionen Jahren, der die Ozeane entstehen ließ, in denen sich die ersten primitiven Lebensformen entwickeln konnten.
90% der gesamten Luft, die die Erde umgibt, sind in der untersten Schicht der Atmosphäre enthalten, der so genannten Troposphäre, in der sich auch das gesamte Wetter abspielt. Darüber wird die Luft progressiv dünner, bis sie schließlich ins luftleere Weltall übergeht.
An einem Tag atmet ein Mensch normalerweise mehr als 10 000 Liter Luft ein. So ist jeder von uns untrennbar mit der Luftschicht verbunden, die die Erde umgibt. Ohne Luft einzuatmen, können wir nur wenige Minuten überleben.
Extreme Ereignisse in der Atmosphäre und deren Folgen auf der Erdoberfläche halten uns von Zeit zu Zeit vor Augen, wie gewaltig die Naturkräfte sind.
Wenn negative Ladungen in einer Gewitterwolke von positiven Ladungen auf der Erdoberfläche angezogen werden, entstehen über hundert Kilometer lange Blitzkanäle mit Ladungen bis zu 100 Millionen Volt (die Ladung von mehr als 8 Millionen normalen Autobatterien). Jede Sekunde zucken mehrere Hundert Blitze durch die Atmosphäre (30 Millionen jeden Tag), in denen Temperaturen bis zu 30 000 Grad Celsius erreicht werden (das ist die fünffache Hitze der Sonnenoberfläche). Durch die extreme Erhitzung dehnt sich die Luft mit Überschallgeschwindigkeit aus und verursacht einen lauten Knall, den wir als Donner wahrnehmen.
Treffen warmfeuchte tropische Luftmassen mit kalttrockenen polaren Luftmassen zusammen, können sich zehn bis hundert Meter breite und außergewöhnlich schnell rotierende Wolkenrüssel aus kondensiertem Wasserdampf bilden, so genannte Tornados. Anhand der verursachten Schäden schätzen Experten, dass ein Tornado im Inneren des Rüssels Geschwindigkeiten bis zu 600 Kilometer pro Stunde erreichen kann. Tornados können Autos vom Boden abheben und kilometerweit durch die Luft tragen, ganze Gebäude zerstören, Bäume entwurzeln und Glasscherben und andere kleine Objekte durch die Luft schießen, die durch ihre hohe Fluggeschwindigkeit so gefährlich sind wie Gewehrkugeln. Über dem Mittleren Westen der USA bilden sich im Schnitt 800 bis 1000 Tornados jedes Jahr.

Die Atmosphäre ist ein Teil des Systems Erde. Chemische und physikalische Prozesse führten dazu, dass sich die Zusammensetzung der Atmosphäre im Laufe von Jahrmilliarden immer wieder gewandelt hat.

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Das ist unsere Welt

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Unser Mond – ein unentbehrlicher Begleiter

Er ist 81-mal leichter als die Erde und rund 4-mal kleiner. Er ist das zweithellste Objekt am Himmel und der einzige fremde Himmelskörper, der je von Menschen betreten wurde. Er ist unser ständiger Begleiter: der Mond. Er selbst ist kahl und unbewohnt, aber für das Leben auf der Erde unentbehrlich. Er ist ein einzigartiger Gesteinsbrocken unter den 150 Monden unseres Sonnensystems und bildet  zusammen mit der Erde ein relativ stabiles System.

Es wird vermutet, dass der Mond seine Entstehung einem Zusammenstoß der Erde mit einem Himmelskörper namens Theia verdankt, der in etwa die Größe des Mars hatte (nach dieser Kollision hatte die Erde schon 90% ihrer heutigen Größe erreicht). Die Astronomen, die die Kollisionstheorie akzeptieren, gehen davon aus, dass Theia in einem schiefen Winkel und mit einer Geschwindigkeit von 40 000 km / Stunde mit der Erde kollidierte. 70% der Erdkruste werden zerstört und ins All geschleudert. Das heiße Gestein verteilt sich im Orbit um die Erde, größere Brocken ziehen kleinere an und innerhalb von nur einem Jahr bildet sich der Mond. Dieser Zusammenprall und seine Folgen haben die Erde von Grund auf verändert und die Vorbedingungen geschaffen, die für die spätere Entwicklung von Leben auf der Erde, so wie wir es heute kennen, notwendig waren.

Man weiß inzwischen, dass sich der Mond zur Zeit seiner Entstehung in einer Entfernung von 20 000 – 30 000 km von der Erde befand, mit seiner rot glühenden Oberfläche einen 15-mal größeren Teil des Himmels einnahm und seine Anziehungskraft auf die Erde 225-mal größer war. Dadurch hob und senkte sich die Erdkruste zweimal täglich um rund 800 Meter. Die Gezeitenkräfte waren 3400-mal stärker als heute. Die derzeitige Distanz Erde-Mond von rund 390 000 Kilometern wird auch heute noch um jährlich 4 Zentimeter größer, was anhand von Laser-Distanzmessungen in den 1990er Jahren bewiesen werden konnte.

Die Bedeutung des Mondes für uns Menschen und das Leben auf der Erde allgemein liegt zunächst einmal darin, dass seine Anziehungskraft die Gezeiten (also Ebbe und Flut) verursacht und so zum Beispiel das Leben zahlreicher Strandtiere und Meeresorganismen kontrolliert und regelt. So kommen bei Mondlicht zahlreiche Algen an die Meeresoberfläche und bilden die Nahrungsgrundlage für viele Meeresbewohner.

Des Weiteren ist die Tatsache, dass sich der Mond immer mehr von der Erde entfernt, dafür verantwortlich, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde um circa 20 Mikrosekunden pro Jahr verlangsamt, also um jeweils 1 Sekunde in 50 000 Jahren. Es ist so ähnlich wie bei einer Eiskunstläuferin, die während einer Pirouettendrehung die Arme immer weiter vom Körper streckt, um die Rotationsbewegung zu verlangsamen. Das mag auf den ersten Blick zwar bedeutungslos erscheinen für die Entwicklungsgeschichte der Erde, aber gäbe es diese durch den Mond bedingte Verlangsamung nicht, dann würde die Erde sich heute viermal so schnell um die eigene Achse drehen als sie das tatsächlich tut, also mit einer Geschwindigkeit von 6680 Kilometern pro Stunde am Äquator. Die Tage wären also im Durchschnitt viermal kürzer. Außerdem gäbe es sehr heftige und häufigere Winde, ähnlich wie auf den Großplaneten (die Großplaneten sind die vier externen, gasförmigen Planeten in unserem Sonnensystem, also Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun). Auch wäre die Häufigkeit zerstörerischer Tsunamis viel größer.

Die größte Bedeutung des Mondes für das Leben auf der Erde liegt aber darin, dass er die Neigung der Erdachse weitgehend stabil hält, denn selbst kleinste Schwankungen dieses Winkels (er beträgt derzeit 23 Grad und 27 Minuten) können tiefgreifende Auswirkungen haben. Die unterschiedliche Erhitzung der Erdoberfläche wird nämlich in der Hauptsache vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen bestimmt (der damit auch die Hauptursache für die Existenz der großen Klimazonen ist, die ja in der Hauptsache große Wärmezonen sind) und dieser wiederum steht in direktem Zusammenhang mit dem Neigungswinkel der Erdachse. Wie ist dieser Zusammenhang zu verstehen? Die der Erde zugeführte Sonnenenergie pro Flächeneinheit (ausgedrückt in Kilojoule pro Quadratzentimeter) steigt mit dem Einfallswinkel der Strahlen, erreicht also ein Maximum bei 90 Grad (man sagt dann, die Sonne steht im Zenit). Die Erhitzung der Erdoberfläche nimmt also zu, wenn die Sonne höher über dem Horizont steht. Deshalb ist es auch um die Mittagsstunde in der Regel wärmer als morgens oder abends. Da die Erdachse ihre Schrägstellung im Laufe eines Jahres beibehält, verändert sich dadurch aber der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen von Tag zu Tag auf den beiden Halbkugeln der Erde, also nördlich und südlich des Äquators, und so entstehen die Jahreszeiten. Zwischen März und September ist der durchschnittliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen größer auf der Nordhalbkugel, während den anderen 6 Monaten ist er größer auf der Südhalbkugel.

Größere Schwankungen des Neigungsgrads der Erdachse hätten also dramatische, sowohl räumliche als auch zeitliche Klimaveränderungen zur Folge, da der durchschnittliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen sich immer wieder in den unterschiedlichen Regionen auf der Erde sehr stark verändern würde. Innerhalb einiger hunderttausend Jahre könnten sich in der Antarktis tropische Regenwälder bilden und in Zentralafrika große Eisschilder. Unter diesen extremen Schwankungen der Lebensbedingungen hätten sich komplexe Lebensformen, wie wir sie heute kennen, aufgrund ihrer mangelnden Anpassungsfähigkeit, nicht entwickeln können. Primitive und kleine Lebensformen würden vorherrschen.

Der Mond hat also dafür gesorgt, dass unser Klima über Jahrmilliarden relativ konstant blieb, im Gegensatz zu unserem Nachbarplaneten Mars zum Beispiel, dem diese Hilfe fehlt. Dessen Achse schwankte im Verlauf seiner Geschichte zwischen 15 und 80 Grad, mit schlimmen Folgen für etwaige Lebewesen.

  Übrigens: auch die Sonne übt einen Einfluss auf die Gezeiten auf der Erde aus. Dieser Einfluss ist aber nur ein Drittel so stark wie der des Mondes. Würde allerdings der Mond auf einmal verschwinden, dann würden sich die großen Wassermassen der Erde verschieben, also ganz anders bewegen und verteilen. Das Leben in den meisten Küstenorten würde vermutlich ausgelöscht werden. Die Meeresströmungen würden sich verändern, der Golfstrom wahrscheinlich verschwinden, was eine dramatische Veränderung der Lebensbedingungen in Westeuropa zur Folge hätte.

Wenn Sie das nächste Mal zum Mond schauen, denken Sie daran: wenn es ihn nicht gäbe, gäbe es uns auch nicht.

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