Warum sinkt die Temperatur mit zunehmender Höhe?
Hallo, mir ist klar, dass mit zunehmender Höhe der Luftdruck sinkt. Aber das Volumen der Erde bleibt dennoch gleich, sodass sich die Luftmoleküle ausdehnen können. Folglich sinkt die Dichte. Die Frage ,die ich mir stelle ,ist warum die Temperatur bei sinkender Dichte auch sinkt.
10 Antworten
Die unteren Schichten der Atmosphäre nehmen kaum Licht von der Sonne auf, diese strahlt hauptsächlich im nahen Infrarot und sichtbaren Bereich, etwas im Unltraviolett. Sie können aber duchaus Wärme abstrahlen, im fernen Infrarot, wegen der Treibhausgase.
Daher erwärmt sich die Atmosphäre von unten, durch die Aufnahme von Wärme vom Erdboden und Gewaässern. Da sich Luft beim Aufsteigen abkühlt und beim Absinken erwärmt, gibt es eine bestimmte Temperaturschichtung, die gerade noch stabil ist. Sind die Temperaturunterschiede mit der Höhe geringer, spricht man von einer stabilen Luftschichtung, andernfalls von einer labilen.
OK, so "bestimmt" ist die Temperaturschichtung nicht, weil noch Verdunstung und Kondensation eine Rolle spielen, aber das Thema kommt später.
In der Stratosphäre steigt die Temperatur aus dem Grunde wieder, weil die Luft hier das Ultraviolett von der Sonne absorbiert. Das könnte die unterste Schicht, die Troposphäre zwar auch, es kommt aber kaum noch was an. Zwischen der unteren Troposphäre und der darüberliegen Stratosphäre liegt eine Grenzschicht, die Tropopause, die einen Luftaustausch zwar nicht ganz verhindert, aber deutlich behindert.
Um es mal bildlich zu beschreiben: Nimm an, man würde eine Käseglocke um die Erde legen. Dann würde sich nach einiger Zeit die Temperatur überall angleichen. Dann nimmst du die Glocke weg und die Luft beginnt sich abzukühlen, der Boden aber erwärmt sich tagsüber. Dann ist irgendwann die Luft am Boden so viel wärmer als am Boden, dass selbst das Abkühlen beim Aufsteigen (durch die Druckerniedrigung) nicht verhindert, dass sie wärmer ist als die Umgebung, sie steigt dann immer weiter auf, bis zur Tropopause. Umgekehrt erwärmt sich Luft aus der Höhe beim absinken (Druckerhöhung) nicht so weit, dass sie wärmer wird als die Umgebung, sie wird weiter absinken, bis zum Boden.
Aber das Volumen der Erde bleibt dennoch gleich, sodass sich die Luftmoleküle ausdehnen können.
Vermutlich ein Trugschluss - was meinst Du mit dem Volumen der Erde? Der feste Teil hat natürlich konstantes Volumen, bei der Atmosphäre hängt das Volumen davon ab, wo Du die Grenze ziehst.
Dass der Luftdruck oben geringer ist als unten hat die gleiche Ursache wie der hydrostatische Druck, der auch unten größer ist als oben: Auf die unteren drücken mehr darüber liegende Moleküle als auf die oberen.
warum die Temperatur bei sinkender Dichte auch sinkt.
Hat in dem Fall nichts miteinander zu tun. Dass sich die meisten Gase beim Expandieren abkühlen (https://www.chemie.de/lexikon/Joule-Thomson-Effekt.html) ist eine andere Baustelle, in der Atmosphäre wird ja nicht laufend expandiert.
Den wahren Grund hat ThomasJNewton ja schon beschrieben.
Weil es weiter von der Erdoberfläche entfernt ist. Die Sonneneinstrahlung wandelt sich vor allem auf der Erdoberfläche durch Absorbtion in Wärme um. Dabei wird das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung genutzt. (Es wird aber ein Teil wieder reflektiert) Die Luft ist transparent und stahlt Wärme ins Weltall ab. Da die Wärmestrahlung der Sonne in diesen Frequenzbereich nur einen Teil der gesamten Sonnenstrahlung ausmacht, verlieren die oberen Schichten mehr Wärme als sie von der Sonne wieder absorbieren können.
Ein weiterer Effekt ist, das Luftströmungen, die vertikal verlaufen, durch den abnehmenend Druck an Temparatur verlieren.
Die Sonne erwärmt mit ihrer Strahlung die Erdoberfläche, die Erdoberfläche erwärmt die darüber liegende Luft. Die erwärmte Luft steigt auf und kühlt sich mit zunehmendem Abstand vom Erdboden ab. In der Höhe ist ja keine nennenswerte Wärmequelle mehr.
Die Erdoberfläche ist warm, der Weltraum ist kalt. Je näher zur Erdoberfläche, umso wärmer die Luft.