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74 6. Zur Erdatmosphäre als Ausbreitungsmedium
Bei einer Einteilung auf Grund des Temperaturprofils wird zwischen der Troposphäre (bis ca. 12 km), der anschließenden
Stratosphäre (bis ca. 50–70 km), der durch starke Luftbewegungen charakterisierten, darüberliegenden Mesosphäre
(bis ca. 80–100 km) und der sich anschließenden Thermosphäre (bis ca. 80000 km) unterschieden. Der Übergangsbereich
zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre bzw. die Schichtobergrenze der Troposphäre wird als Tropopause
bezeichnet, die Stratopause bildet den Grenzbereich zwischen Stratosphäre und Mesosphäre, an welche sich die
Mesopause anschließt (KRAUS 2001). Diese Schichten stellen Umkehrpunkte im Temperaturprofil dar, siehe Kapitel
6.1.2. Trotz dieser strikten Trennung zwischen Tropo- und Stratosphäre bestehen direkte Abhängigkeiten zwischen
diesen beiden Bereichen des zur elektrisch neutralen Atmosphäre zusammengefassten Bereichs der Erdatmosphäre, auf
die im weiteren Verlauf der Arbeit detailliert eingegangen wird.
Die Troposphäre zeichnet sich dadurch aus, dass die eigentlichen Wettererscheinungen bzw. meteorologischen
Phänomene dort entstehen bzw. ablaufen. Bspw. werden sämtliche Wolken, mit Ausnahme der leuchtenden Nachtwolken
sowie Nebel, welche durch das Wandern von feuchten Atmosphärenteilen in kältere Regionen entstehen, in ihr
gebildet. Es werden turbulente Luftbewegungen (z.B. vertikale Ausgleichsbewegungen) in ihr im Gegensatz zur
ruhigen, stabilen und statischen Stratosphäre vollführt. In der Mesosphäre finden ebenso turbulente Luftbewegungen
statt. Im Gegensatz zu den bisher angeführten Bereichen der Atmosphäre findet in der Thermosphäre keine Durchmischung
der einzelnen Bestandteile statt, so dass hier nicht mehr von Homogenität ausgegangen werden kann. Hier
werden die Gasbestandteile nach ihrer unterschiedlichen Dichte und somit in Schichten angeordnet.
Eine andere Einteilung der Atmosphäre ergibt sich durch die elektrischen Eigenschaften der Lufthülle bzw. durch den
Grad der Ionisierung, begründet u.a. durch Sonneneinstrahlung. Große Teile der Atmosphäre sind elektrisch gesehen
inaktiv. Es wird zwischen einer Neutralgasschicht (bis ca. 80 km Höhe), worunter Tropo- und Stratosphäre sowie Teile
der Mesosphäre subsummiert werden, und der sich daran anschließenden signifikant ionisierten Schicht, der Ionosphäre,
unterschieden. Die Atmosphäre absorbiert fast alle Wellenstrahlungen mit Ausnahme des sichtbaren Lichts und
der Radiowellen. In der neutralen Atmosphäre verhält sich die Atmosphäre homogen, d.h. das mittlere molare Gewicht
weist nur eine sehr geringe Höhenabhängigkeit auf. In den darüberliegenden Bereichen der Atmosphäre gilt dies auf
Grund von Entmischungen nicht (WAHL 2002).
Teilweise wird in der Fachliteratur der Begriff der Magnetosphäre angeführt. Die Magnetosphäre erstreckt sich ab einer
Höhe von 400 km bis zu den Grenzen des Erdmagnetfeldes. Ebenso sind Klassifizierungen hinsichtlich der prinzipiellen
Zusammensetzung der Gase zu finden, wobei in der Homosphäre eine Durchmischung stattfindet, in der Heterosphäre
hingegen ein Diffusionsgleichgewicht herrscht. Die Homosphäre entspricht ungefähr der Neutrosphäre.
Erfolgt eine Einteilung nach trockenen und feuchten Bestandteilen, so werden alle Anteile der Atmosphäre mit Ausnahme
des Wasserdampfes zur sog. trockenen, reinen Luft zusammengefasst, welche raum- und zeitabhängig mit dem
nicht permanent vorhandenen Wasserdampf durchmischt ist. Diese Einteilung wird bspw. bei der neutrosphärischen
GPS-Modellbildung verwendet, siehe hierzu Kapitel 8.
In Abbildung 6-1 sind die oben beschriebenen Möglichkeiten der Atmosphärengliederung zusammenfassend und
schematisch dargestellt. In der geodätischen Praxis ist jedoch eine weitaus einfachere Einteilung üblich und ausreichend,
siehe hierzu bspw. HOPFIELD (1971). Es wird hierbei lediglich zwischen der Iono- und der Neutrosphäre
unterschieden. Betrachtet man die elektrisch neutralen Atmosphärenbereiche, so ist der Einfluss der Troposphäre für die
Ausbreitung elektromagnetischer Wellen des L-Bandes dominierend (ca. 80%). Auf Grund dieser Dominanz wird in der
Fachliteratur der Einfluss der Neutrosphäre mit dem Einfluss der Troposphäre gleichgesetzt. Eine Abgrenzung der
Troposphäre von der Stratosphäre wird meist nur über eine Einteilung in feuchte (bis in Höhe der Tropopause) und
trockene Anteile (bis in Höhe der Stratopause) vollzogen. Der Beitrag der über der Stratosphäre gelegenen Schichten
(v.a. Mesosphäre) ist so gering, dass er i.Allg. ohne Genauigkeitseinbußen im Rahmen der GPS-Modellbildung vernachlässigt
werden kann. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der korrektere Terminus Neutrosphäre verwendet, um die
elektrisch neutralen Atmosphärenbereiche zu subsummieren.
Sowohl die Iono- als auch die Neutrosphäre stellen für die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen des L-Bandes
und somit für die Positionsbestimmung mit GPS genauigkeitslimitierende, atmosphärische Einflussfaktoren dar, da
lediglich durch eine adäquate Atmosphärenmodellierung qualitativ hochwertige und korrekte Ergebnisse basierend auf
GPS-Beobachtungen erhalten werden können (WEBER et al. 1995).
6.1.1 Die Ionosphäre
Die Ionosphäre dehnt sich beginnend auf einer Höhe von etwa 40-50 km bis zu mehreren Erdradien aus. Sie ist, da die
einfallende Sonnenstrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge in unterschiedlichen Schichten absorbiert wird, in