De atmosfeer is dun vergeleken met de aarde zelf: als de aarde een appel was, zou bijna alle lucht in de schil passen. Toch doet die dunne laag enorm veel. Ze levert de zuurstof die we inademen, houdt schadelijke uv-straling tegen, laat meteoren verbranden, verspreidt warmte over de aardbol en houdt via het broeikaseffect de gemiddelde temperatuur leefbaar.
Samenstelling van de lucht
Onderin de atmosfeer wordt de lucht voortdurend gemengd. Daardoor is de samenstelling van droge lucht tot ongeveer 80 km hoogte vrijwel overal gelijk. Alleen waterdamp varieert sterk: van bijna 0 % boven woestijnen en poolgebieden tot zo’n 4 % in de tropen.
| Gas | Formule | Volume-% | Opmerking |
|---|---|---|---|
| Stikstof | N₂ | 78,08 | reactietraag; komt via de stikstofkringloop in de biosfeer |
| Zuurstof | O₂ | 20,95 | vrijwel geheel afkomstig van fotosynthese |
| Argon | Ar | 0,93 | edelgas, ontstaat bij radioactief verval van kalium-40 |
| Koolstofdioxide | CO₂ | ~0,042 | ruim 420 ppm en stijgend; ca. 280 ppm vóór 1800 |
| Neon | Ne | 0,0018 | edelgas |
| Helium | He | 0,0005 | ontsnapt langzaam naar de ruimte |
| Methaan | CH₄ | ~0,0002 | ca. 1,9 ppm, sterk broeikasgas |
| Waterdamp | H₂O | 0–4 (variabel) | niet in droge lucht; belangrijkste broeikasgas |
De sporengassen lijken onbelangrijk, maar koolstofdioxide, methaan, waterdamp en ozon bepalen samen het broeikaseffect. Stikstof en zuurstof absorberen namelijk vrijwel geen infrarode straling.
Rekenvoorbeeld. In een klaslokaal van 8 × 7 × 3 m = 168 m³ zit 0,2095 × 168 ≈ 35 m³ zuurstof en 0,00042 × 168 ≈ 0,07 m³ (70 liter) CO₂, zolang er nog niemand ademt. Met dertig leerlingen die elk ongeveer 20 liter CO₂ per uur uitademen, komt daar 600 liter per uur bij. Zonder ventilatie loopt het CO₂-gehalte binnen een uur op tot ruim 0,4 %, ongeveer tien keer de buitenwaarde. Daarom zijn CO₂-meters in klassen een goede graadmeter voor frisse lucht.
De lagen van de atmosfeer
De indeling in lagen volgt het temperatuurverloop: telkens als de temperatuur met de hoogte omslaat van dalen naar stijgen (of omgekeerd), begint een nieuwe laag. De grensvlakken heten -pauzes: tropopauze, stratopauze en mesopauze. De hoogten hieronder gelden voor gematigde breedten zoals Nederland en België.
| Laag | Hoogte | Temperatuurverloop | Kenmerken |
|---|---|---|---|
| Troposfeer | 0 – ca. 11 km (polen ~8, evenaar ~17) | daalt ca. 6,5 °C per km, van +15 °C tot ca. −56 °C | bevat ~80 % van de massa en bijna alle waterdamp; hier speelt het weer zich af |
| Stratosfeer | ca. 11 – 50 km | stijgt tot ongeveer 0 °C | ozonlaag; zeer stabiel, nauwelijks wolken; lijnvliegtuigen vliegen net onder of in de onderkant |
| Mesosfeer | ca. 50 – 85 km | daalt tot ca. −90 °C (koudste plek) | meteoren verbranden als ‘vallende sterren’; lichtende nachtwolken |
| Thermosfeer | ca. 85 – 600 km | stijgt sterk, tot 500–2 000 °C afhankelijk van de zon | poollicht, ionosfeer (radiogolven), het ISS op ca. 400 km |
| Exosfeer | boven ca. 600 km | niet goed gedefinieerd | zo ijl dat atomen de ruimte in kunnen ontsnappen; geleidelijke overgang naar de ruimte |
Waarom het temperatuurverloop omslaat
De troposfeer wordt vooral van onderaf verwarmd: zonlicht gaat grotendeels door de lucht heen en warmt de grond op, die de lucht erboven verwarmt. Opstijgende lucht zet uit en koelt af. Daarom wordt het kouder naarmate je hoger komt: op een bergtop van 3 000 m is het gemiddeld zo’n 20 °C kouder dan aan zee. Hier ontstaan ook wolken en neerslag.
In de stratosfeer zit een extra warmtebron: ozon absorbeert ultraviolette straling van de zon en zet die om in warmte. Daardoor wordt het met de hoogte warmer. Warme lucht boven koude lucht is stabiel (een inversie), zodat er nauwelijks verticale menging is. Daarom blijven stoffen die in de stratosfeer terechtkomen, zoals as van een grote vulkaanuitbarsting, er jaren hangen.
Boven 50 km is er weinig ozon meer en koelt de lucht weer af. In de thermosfeer absorberen de laatste moleculen de energierijkste uv- en röntgenstraling van de zon. De temperatuur, dus de gemiddelde snelheid van de deeltjes, wordt daar extreem hoog. Toch zou je er niet verbranden: de lucht is zo ijl dat er nauwelijks warmte kan worden overgedragen.
Waar ‘de ruimte’ begint, is een afspraak. Vaak wordt de Kármánlijn op 100 km gebruikt: daarboven is de lucht zo ijl dat een vliegtuig met vleugels niet meer genoeg lift kan krijgen.
Luchtdruk en hoogte
Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je per vierkante meter. Hoe hoger je komt, hoe minder lucht er boven je is. Omdat lucht samendrukbaar is, zit de meeste lucht dicht bij de grond, waar ze door de bovenliggende lagen wordt samengeperst. De druk neemt daardoor niet lineair maar ongeveer exponentieel af:
- p₀
- druk op zeeniveau, 1013 hPa
- h
- hoogte, in km
- H
- schaalhoogte, ongeveer 8 km (de hoogte waarover de druk met een factor e ≈ 2,7 afneemt)
| Hoogte | Druk (hPa) | % van zeeniveau | Temperatuur | Voorbeeld |
|---|---|---|---|---|
| 0 km | 1013 | 100 % | 15 °C | Noordzeestrand |
| 1 km | 899 | 89 % | 8,5 °C | hoger dan de Vaalserberg (322 m) |
| 3 km | 701 | 69 % | −4,5 °C | hooggebergte, hoogteziekte mogelijk |
| 5,5 km | ~505 | 50 % | −21 °C | de helft van de atmosfeer ligt lager |
| 8,8 km | ~315 | 31 % | −42 °C | top Mount Everest |
| 11 km | ~227 | 22 % | −56,5 °C | kruishoogte lijnvliegtuig |
| 20 km | 55 | 5 % | −56,5 °C | midden in de ozonlaag |
| 50 km | 0,8 | 0,08 % | ca. −2 °C | stratopauze |
Rekenvoorbeeld. Volgens de formule is op 8 km hoogte p = 1013 × e−1 ≈ 373 hPa; de tabel geeft voor 8 km ongeveer 356 hPa. De formule is dus een prima benadering. Op de top van de Mount Everest is de druk ongeveer een derde van die op zeeniveau. Het zuurstofpercentage is daar nog steeds 21 %, maar elke ademteug bevat maar een derde zoveel zuurstofmoleculen. Daarom gebruiken de meeste klimmers extra zuurstof. Ook in een vliegtuig wordt de cabine maar gedeeltelijk op druk gehouden, tot het niveau van ongeveer 2 000–2 400 m hoogte; daarom zwellen chipszakjes op tijdens de vlucht.
De ozonlaag
Ozon (O₃) is een molecuul van drie zuurstofatomen. Het meeste ozon zit tussen ongeveer 15 en 35 km hoogte, met een maximum rond 20–25 km. Ozon ontstaat en verdwijnt daar voortdurend onder invloed van uv-straling:
- O₂ + uv → O + O (energierijke uv-straling splitst een zuurstofmolecuul);
- O + O₂ → O₃ (een los zuurstofatoom bindt aan een zuurstofmolecuul);
- O₃ + uv → O₂ + O (ozon absorbeert uv en valt weer uiteen).
Bij elke stap wordt ultraviolette straling geabsorbeerd en omgezet in warmte. Zo houdt de ozonlaag vrijwel alle uv-C en het grootste deel van de uv-B tegen, straling die huidkanker, staar en schade aan planten en plankton veroorzaakt. Ondanks dat belang is de laag dun: zou je al het ozon samenpersen tot de druk en temperatuur op zeeniveau, dan was het een laagje van ongeveer 3 mm.
Het gat in de ozonlaag
In de jaren 1970 ontdekten de Nederlander Paul Crutzen en de Amerikanen Mario Molina en Sherwood Rowland dat stikstofoxiden en chloorverbindingen ozon afbreken. Chloor uit cfk’s (chloorfluorkoolwaterstoffen, toen in spuitbussen en koelkasten) werkt als katalysator: één chlooratoom kan duizenden ozonmoleculen afbreken. Elk voorjaar boven Antarctica (september–oktober) ontstaat daardoor een ‘gat’, een gebied waar het ozon sterk is uitgedund. Na het Protocol van Montreal (1987) zijn cfk’s wereldwijd uitgefaseerd. De ozonlaag herstelt langzaam; boven Antarctica wordt volledig herstel rond 2066 verwacht. Crutzen, Molina en Rowland kregen in 1995 de Nobelprijs voor de Scheikunde.
Let op het verschil: ozon hoog in de stratosfeer beschermt, maar ozon bij de grond is een schadelijke luchtverontreiniging (zomersmog) die ontstaat uit uitlaatgassen onder invloed van zonlicht.
Hoe de atmosfeer ontstond
De eerste atmosfeer van de jonge aarde bestond vooral uit gassen die vulkanen uitstootten: waterdamp, CO₂ en stikstof, zonder vrije zuurstof. Toen de aarde afkoelde, condenseerde de waterdamp tot oceanen, die veel CO₂ opnamen. Vrije zuurstof kwam pas toen cyanobacteriën met fotosynthese begonnen; rond 2,4 miljard jaar geleden begon het zuurstofgehalte merkbaar te stijgen. Pas toen er genoeg zuurstof was, kon zich een ozonlaag vormen en konden planten en dieren het land op.
Veelgestelde vragen
Wat zijn de lagen van de atmosfeer?
Van onder naar boven: de troposfeer (0 tot ca. 11 km, het weer), de stratosfeer (11 tot 50 km, met de ozonlaag), de mesosfeer (50 tot 85 km, waar meteoren verbranden), de thermosfeer (85 tot ca. 600 km, met poollicht en het ISS) en de exosfeer, de overgang naar de ruimte.
Waaruit bestaat de atmosfeer?
Droge lucht bestaat voor 78,08 % uit stikstof, 20,95 % uit zuurstof, 0,93 % uit argon en ongeveer 0,042 % uit koolstofdioxide, met kleine hoeveelheden neon, helium en methaan. Daarnaast bevat lucht tussen 0 en 4 % waterdamp.
Waar zit de ozonlaag?
De ozonlaag zit in de stratosfeer, tussen ongeveer 15 en 35 km hoogte, met de hoogste concentratie rond 20 tot 25 km. Het ozon absorbeert het grootste deel van de schadelijke uv-straling van de zon.
Hoe dik is de atmosfeer?
Er is geen scherpe bovengrens. De helft van de lucht zit onder 5,5 km en 99 % onder ongeveer 30 km. Als grens met de ruimte wordt meestal de Kármánlijn op 100 km gebruikt, maar de ijle exosfeer loopt door tot duizenden kilometers.
Waarom is het kouder op een berg?
De troposfeer wordt van onderaf verwarmd door de grond. Opstijgende lucht zet uit door de lagere druk en koelt daarbij af. Gemiddeld daalt de temperatuur daardoor ongeveer 6,5 °C per kilometer hoogte.
Hoe snel daalt de luchtdruk met de hoogte?
Ongeveer exponentieel, met een schaalhoogte van circa 8 km. Op 5,5 km is de druk gehalveerd tot ongeveer 500 hPa, op de top van de Mount Everest is hij ongeveer een derde van de 1013 hPa op zeeniveau.