PDF-Download - Deutsche Geodätische Kommission

6.1 Der Aufbau der Atmosphäre 75
verschiedene ionisierte Schichten eingeteilt. Der Grad der Ionisierung hängt hauptsächlich von der Ultraviolett- und der
Röntgenstrahlung der Sonne ab (KLOBUCHAR 1996). Die einzelnen Schichten der Ionosphäre werden durch die
Elektronendichte, der Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit [m³], charakterisiert. Die höchste Elektronendichte
(ca. 2·10 12 Elektronen pro m 3 ) wird in einer Höhe zwischen 250 km und 500 km beobachtet.
Die Vorgänge in der Ionosphäre werden wesentlich durch die leichten, freien Elektronen bestimmt, welche um die
schweren Ionen oszillieren und sich spiralförmig im Erdmagnetfeld bewegen. Der Zustand der Ionosphäre kann stark
durch die geomagnetische Aktivität und die Sonnenfleckenzahl beschrieben werden (KLOBUCHAR 1996). Auf Grund der
unterschiedlichen Strahlungseinwirkung der Sonne variiert die Elektronendichte nicht nur mit der Tageszeit, sondern ist
auch jahreszeitlichen Änderungen unterworfen. Darüber hinaus ist der Elektronengehalt von der geomagnetischen
Breite abhängig. So ist in Äquatorregionen ein Maximum des Elektronengehalts anzutreffen, während in Polarregionen
der Elektronengehalt eher gering und oftmals inhomogen verteilt ist.
Auf Grund der Bedeutung dieses atmosphärischen Einflussfaktors wird die Ionosphäre, nachdem in Kapitel 6.2 die
Grundlagen zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen beschrieben wurden, in Kapitel 7 ausführlich behandelt.
6.1.2 Die Neutrosphäre
Im Gegensatz zur Ionosphäre enthält die Neutrosphäre so gut wie keine freien Elektronen oder Ionen, somit setzt sich
die Neutrosphäre im Wesentlichen aus elektrisch nicht geladenen Molekülen und Atomen zusammen, die ca. 80% der
Masse der Erdatmosphäre ausmachen (WALLACE UND HOBBS 1977). Die Neutrosphäre besteht aus rund einem Dutzend
verschiedener, auf Grund der Erdnähe gut durchmischter Gase. Der Einfluss dieser Gase auf elektromagnetische Wellen
des L-Bandes ist im Wesentlichen gleich, so dass es im Rahmen der GPS-Modellbildung ausreicht, die Neutrosphäre
durch ein Modell, welches hinsichtlich Wasser, Kohlendioxid und den restlichen Bestandteilen unterscheidet, zu
approximieren. Das atmosphärische Wasser kann dabei, wie oben angeführt, bspw. in Form von Eiskristallen, Wassertropfen
und Wasserdampf auftreten. Der im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit wichtige Wasserdampf ist ein
sog. Treibhausgas und im Kontext der Klimaforschung mit globaler Erwärmung nahezu untrennbar als Grund ebenso
wie als Symptom verbunden. Wasserdampf ist auf Grund seiner räumlichen und zeitlichen Variabilität schwierig
modellierbar und stellt bei GPS-Auswertungen einen wichtigen Einflussfaktor dar, der bspw. über das Bermuda-
Polygon im Speziellen mit der Höhenkomponente korreliert ist (Kapitel 4.2.3). Der Kohlendioxidgehalt ist schwierig zu
bestimmen, deshalb wird er im Rahmen der GPS-Modellbildung i.d.R. als konstant angenommen und den trockenen
Gasen zugeordnet, die im Rahmen der Modellbildung getrennt vom komplementären feuchten Anteil behandelt werden.
Die trockene Komponente subsummiert somit alle Bestandteile mit Ausnahme des Wasserdampfes, der der feuchten
Komponente zugeordnet wird. In Kapitel 8 wird ausführlich auf die neutrosphärische GPS-Modellbildung eingegangen.
Die Troposphäre erreicht als erdnächste Schicht der Atmosphäre eine Höhe von ungefähr 8-10 km über den Polargebieten
und eine Höhe von etwa 17 km über dem Äquator. Über den Polargebieten und in mittleren Breiten variiert die
Troposphärenhöhe in Abhängigkeit von den Jahreszeiten, während sie am Äquator gleich bleibt (SPILKER 1996a).
Zu den die Neutrosphäre beschreibenden atmosphärischen Zustandsgrößen zählen
• die Temperatur T, die in der Einheit Kelvin [K] bzw. Grad Celsius [° C] angegeben wird,
• der atmosphärische Luftdruck p, gemessen in der Einheit Hektopascal [hPa] und
• die relative Luftfeuchtigkeit rh [%].
Der Gehalt der Luft an Wasserdampf charakterisiert die Luftfeuchtigkeit. Der Partialdruck des Wasserdampfs (Wasserdampfdruck)
e [hPa] ergibt zusammen mit dem Partialdruck der trockenen Luft pd [hPa] den gesamten atmosphärischen
Luftdruck. Die relative Luftfeuchte berechnet sich aus dem Quotienten von Wasserdampfdruck und Sättigungsdampfdruck.
Hierauf wird in Kapitel 8 detailliert eingegangen. Das Gasgemisch aus trockener Luft und Wasserdampf wird als
feuchte Luft bezeichnet.
Der wichtige physikalische Parameter Temperatur nimmt bis in Höhe der Tropopause nahezu linear um etwa 5°-7° C
pro Höhenkilometer ab. Dieser Temperaturgradient β variiert jedoch auf a priori unbekannte Art und Weise sehr stark
mit der Zeit und mit dem Ort. Das die Erde umgebende Temperaturfeld ist v.a. abhängig von der einfallenden und
reflektierten Sonnenenergie, von der Zeit, vom Wettergeschehen und in Erdnähe von der Bodenbedeckung. Dabei wird
die Troposphäre v.a. von der Erde beeinflusst, während die Stratosphäre sowohl mit tiefer als auch mit höher gelegenen
Luftschichten interagiert. Weiterhin spielen Schadstoffemission und Industrialisierungsgrad ein Rolle. I.Allg. kann erst
ab einer Höhe von ca. 1-1.5 km von einer polytropen Atmosphäre ausgegangen werden, in welcher der Temperaturgradient
somit gleichmäßig linear abnimmt (SPILKER 1996a). Als mittlerer Temperaturgradient wird i.Allg. ein Betrag
von ca. 0.0065° C pro Höhenmeter angegeben (KRAUS 2001). Dadurch sinkt über den Polarregionen die Temperatur in
Höhe der Tropopause auf etwa -50° C und über den Tropen auf etwa -80° C. Von der Tropopause bis in eine Höhe von