Thermosphäre

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Aufbau der Erdatmosphäre

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse in Abhängigkeit von der Höhe. Die Abnahme der Molaren Masse mit der Höhe spiegelt die sich ändernde Zusammensetzung der Luft wider

Druck und Dichte der Erdatmosphäre. Die waagerechte Skala ist logarithmisch aufgetragen. Eine Verminderung um 2.3 Einheiten entsprechen einem Zehntel des Drucks bzw. der Dichte.

Die Thermosphäre (von griechisch θερμός, thermós „warm, heiß“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die vierte und zweitäußerste der Schichten der Erdatmosphäre. Sie erstreckt sich oberhalb der in 80-85 km Höhe liegenden Mesopause (obere Grenze der Mesosphäre) bis unter die Exosphäre in etwa 500-600 Kilometern über der Erdoberfläche.

Trotz ihres Namens ist die "Wärme" der Thermosphäre nicht "spürbar", weil die Luftdichte bereits millionenfach geringer als in Bodennähe ist. Die Temperatur (300-1500°) äußert sich nur in der raschen Bewegung der Gasteilchen. Ihre mittlere freie Weglänge beträgt hier mehrere Kilometer, sodass zwischen den Teilchen kaum mehr Zusammenstöße oder Energieaustausch stattfinden.

Wenn Meteore in die Erdatmosphäre einfallen, beginnt ihre Leuchtspur meist in der unteren Thermosphäre. Auch beim Wiedereintritt von Raumfahrzeugen treten hier erste thermische Belastungen auf, die höchsten Temperaturen werden aber in der Regel erst in der Mesosphäre erreicht.

Die international anerkannte Definition der Grenze zwischen Erdatmosphäre und Weltraum ist die der Fédération Aéronautique Internationale und liegt in einer Höhe von 100 km, also auf Höhe der Homopause. Demnach läge der größte Teil der Thermosphäre bereits im Weltraum. Diese Definition ist mehr oder weniger willkürlich und hat kein gesondert hervorstechendes Kriterium.

[Bearbeiten] Temperatur

Die Temperatur nimmt anfangs stark mit der Höhe zu und kann – auch abhängig von der Sonnenaktivität – bis 1.700 °C ansteigen. Dies spielt aber z.B. für die Astronautik wegen des geringen Wärmeaustausches keine Rolle. In der Thermosphäre umkreisen unter anderem das Space Shuttle und die Internationale Raumstation (ISS) die Erde. Obwohl die Atmosphäre hier außerordentlich dünn ist, macht sich der Luftwiderstand über längere Zeit doch bemerkbar. Die ISS, die in ca. 350 km Höhe die Erde umkreist, würde ohne regelmäßige Anhebung ihrer Umlaufbahn durch Raketentriebwerke innerhalb weniger Jahre so stark abgebremst werden, dass sie auf die Erde stürzen würde.

[Bearbeiten] Druck

Der Luftdruck nimmt wie im unteren Teils der Atmosphäre mit zunehmender Höhe ab. Durch den Einfluss der mit der Höhe zunehmenden Temperatur und die sich wandelnde Zusammensetzung erfolgt die Abnahme jedoch weniger schnell. Im oberen Teil der Thermosphähre folgt der Druck dabei grob einer Exponentialfunktion die sich aus der Barometrischen Höhenformel ergibt.

[Bearbeiten] Chemische Zusammensetzung

Gasmoleküle werden von der eintreffenden energiereichen kosmischen Strahlung in Ionen und freie Radikale gespalten. Daher ist die Thermosphäre auch ein Teil der Ionosphäre. Aufgrund der geringen Dichte der Ionosphäre können diese Teilchen lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren.

Die durchschnittliche Masse der einzelnen Gasteilchen nimmt mit der Höhe immer weiter ab. Das hat seinen Grund zum einen darin, dass die oberen Teile der Thermosphäre stärker dem Sonnenwind und kosmischer Strahlung ausgesetzt sind. Noch vorhandene Moleküle werden daher weiter oben mit größerer Wahrscheinlichkeit in ihre Bestandteile zerlegt. Wegen dem geringeren Druck haben diese Bestandteile außerdem eine geringere Wahrscheinlichkeit sich wieder zu Molekülen zu vereinen. Ein dritter Grund liegt darin, dass leichte Teilchen bei gleicher Temperatur eine höhere Geschwindigkeit haben und damit weniger stark von der Gravitation beeinflusst werden. Auf diese Weise reichern sich im oberen Teil der Thermosphäre leichte Atome und Ionen an. Diese Anreicherung kann besonders deutlich an der molaren Masse des Gases abgelesen werden.