Die Lufthülle der Erde - Atmosphäre

Die Atmosphäre umgibt unseren Planeten wie eine dünne Haut. Sie besteht aus Luft, einem Gemisch aus mehreren Gasen.

Die Atmosphäre ist etwa 250 Kilometer dick und vertikal in verschiedenen Schichten aufgebaut, ähnlich wie bei einer Zwiebel. Vergleicht man die Erde mit einem Apfel, ist die Lufthülle nur so dick wie seine Schale. Die Dicke der Atmosphäre bis zur Obergrenze der Stratosphäre in 50 Kilometer beträgt weniger als ein Prozent des Erdradius (6378 Kilometer).

Die einzelnen atmosphärischen Schichten unterscheiden sich in Bezug auf Temperatur und Dichte sowie auf chemische und physikalische Vorgänge deutlich. Meteorologen ziehen den Temperaturverlauf mit der Höhe als entscheidendes Kriterium heran, weil dadurch auch die Wetterphänomene bestimmt sind. Das alltägliche Wettergeschehen spielt sich jedoch nur in den unteren 1 bis 15 Kilometer der Atmosphäre ab.

Die Schwerkraft zieht die Luft der Erde an. Dadurch hat die Luft ein Gewicht, das auf der Erde lastet. Dieses Gewicht spüren wir als Luftdruck. Der Luftdruck ist jedoch nicht an allen Stellen auf der Erde gleich groß. Gebiete mit höherem Luftdruck bezeichnen Meteorologen als Hochdruckgebiete, Gebiete mit niedrigerem Luftdruck dagegen als Tiefdruckgebiete.

Die gesamte Luftmasse der Erdatmosphäre beträgt etwa 5,13×10^15 Tonnen. Das entspricht nur rund einem Dreihundertstel der Wassermasse der Ozeane oder einem Millionstel der Erdmasse.

Mit der Höhe nimmt die Luftdichte rasch ab. Am Boden beträgt sie 1,225 Kilogramm pro Kubikmeter, in rund 10 bis 18 Kilometer Höhe an der Tropopause nur noch 0,36 Kilogramm pro Kubikmeter.

Die Erdatmosphäre besteht aus Haupt- und Spurengasen. Während sich die Hauptgase im größeren Prozentbereich bewegen, liegt der Anteil der Spurengase im Promillebereich oder sogar im Milliardstelbereich. Ohne die Atmosphäre könnte es auf der Erde kein Leben geben.

Den größten Anteil mit rund 78 Prozent hat das Gas Stickstoff (N₂). Mit etwa 21 Prozent an zweiter Stelle steht der Sauerstoff (O₂), den alle Tiere und auch wir Menschen zum Atmen brauchen. An dritter Stelle kommt das Edelgas Argon (Ar), das rund 0,9 Prozent der Hauptgase ausmacht. Dieses Edelgas ist zum Großteil auf den Zerfall des Kaliumisotops 40-K zurückzuführen, bei dem 40-Ar entsteht.

Zu den Spurengasen gehören Edelgase wie beispielsweise Helium (He), Krypton (Kr) und Xenon (Xe) sowie andere Spurenstoffe (wie beispielsweise Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff, Distickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid), deren Anteil zusammen unter 1 Volumenprozent liegt. Pflanzen brauchen das Gas Kohlendioxid (CO₂) für die Photosynthese. Der Anteil von Gasen wie Methan (CH₄), Helium (He), Krypton (Kr) und Neon (Ne) liegt zwischen 0,01 und 0,001 Promille. Noch geringer sind die Anteile von Wasserstoff (H), Distickstoffoxid (N₂O) oder Kohlenmonoxid (CO), deren Volumeneinheiten im Milliardstelbereich liegen.

Schwefeldioxid oder Kohlenwasserstoffe machen ebenfalls nur einen sehr geringen Anteil aus. In den untersten Schichten der Atmosphäre ist außerdem Wasser enthalten, meist in Form von Wolken. Wasserdampf macht rund 0,4 Prozent der atmosphärischen Gase aus.

Durch die Industrialisierung sind laufend neue künstliche Molekülverbindungen entstanden, die jedoch rasch mit anderen Gasen chemisch reagieren. Meist handelt es sich um sekundäre Spurenstoffe, ähnlich wie Ozon. In der unteren Atmosphäre (Troposphäre) spielen energiereiches Sonnenlicht (UV-B), Stickoxide (NOx), Peroxy-Radikale und flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC) eine entscheidende Rolle.

Durch das menschliche Wirken hat sich die Zusammensetzung der Gase in der Atmosphäre vor allem seit Beginn der Industrialisierung verändert.

Der Anteil einiger Spurengase hat sich in den vergangenen 100 Jahren verändert. Insbesondere der Anteil des Treibhausgases Kohlendioxid CO₂ ist gestiegen, derzeit macht der Anteil 410 ppm (parts per million) aus und nimmt aufgrund vom Menschen verursachter Verbrennungsvorgänge weiter zu.

Seit 2016 liegt der CO₂-Gehalt der Atmosphäre über 400 ppm. Dies haben Messergebnisse des Mauna Loa Observatoriums auf Hawaii nachgewiesen. Nie zuvor, seit Menschen auf der Erde leben, war der CO₂-Wert dauerhaft so hoch.

Die Daten sind alarmierend, denn sie zeigen in aller Deutlichkeit, wohin die andauernde Verbrennung fossiler Energieträger durch menschliches Wirken führt - zu einer immer dramatischeren Aufheizung des Klimas auf der Erde.

Die Daten von Mauna Loa sind als die für die Klimaforschung wichtige Keeling-Kurve berühmt geworden und veranschaulichen sowohl den kontinuierlichen Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration über die vergangenen 62 Jahre aufgrund menschlichen Handelns als auch die natürlichen Schwankungen über den Jahresverlauf.

Klimaforscher und Klimaforscherinnen haben in den vergangenen Jahren einen weiteren bedenklichen Trend entdeckt: Im Jahr 2019 erreichte die Methankonzentration in der Atmosphäre den höchsten Stand seit 1983. Dabei war der Anstieg besonders in den vergangenen 20 Jahren enorm. So erhöhte sich der jährliche Ausstoß in den Jahren von 2000 bis 2006 um rund 50 Millionen Tonnen. Das entspricht einem Zuwachs von neun Prozent.

Die Konzentration von Methan in der Luft ist jetzt rund zweieinhalbmal so groß wie vor der Industrialisierung. Nicht auszuschließen ist, dass in den kommenden Jahren neue Rekorde aufgestellt werden.

Die Forscher vermuten, dass die Nutzung fossiler Brennstoffe, insbesondere Erdgas, sowie die Landwirtschaft und Mülldeponien für den rasanten Anstieg des Methangehalts mitverantwortlich sind.

Methan aus natürlichen Quellen entweicht auch aus Sümpfen und Vulkanen. Eine weitere Quelle ist das Auftauen von Permafrostböden in den kälteren Regionen der Erde. Dort ist das Spurengas Methan gebunden. Taut der bislang dauerhaft gefrorene Boden immer mehr auf, wird das hochwirksame Treibhausgas verstärkt in die Atmosphäre steigen.

Vor wenigen Jahren fanden Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen heraus, dass auch der Plastikmüll in den Meeren Methan produziert. Unter Einfluss von UV-Strahlung stoßen die sogenannten Polymere Methan und Ethylen aus. Je länger das Plastik der Strahlung ausgesetzt ist, desto mehr Treibhausgase werden freigesetzt.

Das ist besonders bei Polyethylen der Fall. Je kleiner die Kunststofffragmente sind, desto mehr Methan wird produziert. Grund dafür ist die vergrößerte Oberfläche des Plastiks, die dem Sonnenlicht eine größere Angriffsfläche bietet. Dies gilt auch für Mikroplastik.

Distickstoffmonoxid (N₂O), auch Lachgas genannt, ist ein farbloses Gas aus der Gruppe der Stickstoffoxide und Bestandteil des globalen Stickstoffkreislaufs.

Es entsteht durch natürliche Prozesse, wie beispielsweise durch bakterielle Oxidation in Böden und Ozeanen, oder übermäßiges Düngen von Feldern. Ebenso spielt die Verbrennung von Biomasse und von fossilen Energieträgern eine große Rolle. Den weitaus größten Anteil an menschengemachten Lachgas-Emissionen verursacht die industrielle Landwirtschaft.

In der Atmosphäre kann Lachgas über 100 Jahre als Treibhausgas verweilen. Sein Treibhauspotential ist über 300 Mal so stark wie bei Kohlendioxid. Der atmosphärische Gehalt (global gemittelt) ist von 270 bbp im Jahr 1750 auf etwa 330 ppb im Jahr 2019 gestiegen. Distickstoffoxid macht etwa 6 Prozent des menschengemachten Klimawandels aus.

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) haben nicht nur das Ozonloch verursacht, sondern als langlebige Chemikalien auch maßgeblich zum Klimawandel beigetragen. Und sie tun dies noch heute. Das Montrealer Protokoll aus dem Jahr 1987 gilt als Meilenstein im Völkerrecht und als der bisher größte Erfolg im weltweiten Ringen um Umweltschutz.

Forscherteams haben herausgefunden, das FCKW zwischen 1955 und 2005 für mehr als ein Drittel der Erderwärmung verantwortlich war. In den Polargebieten fiel der Klimaeffekt der FCKW in diesem Zeitraum sogar noch drastischer aus: Dort trugen sie zur Hälfte der beobachteten Klimaerwärmung bei. Entsprechend groß ist ihr Beitrag zum Meereisverlust der Arktis.

Ursache dafür ist die extrem starke Treibhauswirksamkeit von FCKWs: Trotz ihrer vergleichsweise geringen Konzentration in der Atmosphäre sind sie als Treibhausgase rund 20.000 Mal potenter als CO₂ und waren daher in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts nach dem CO₂ das zweitwichtigste Treibhausgas.

Ozon kommt hauptsächlich in der Stratosphäre vor. Ozon in Bodennähe ist für den Menschen schädlich. Die Gesamtmenge an Ozon in der Troposphäre ist schwer abzuschätzen, da die entsprechenden Messstationen spärlich verteilt sind. Experten gehen von einer durchschnittlichen Konzentration von 50 ppb aus.

Modellsimulationen für das 21. Jahrhundert deuten darauf hin, dass das troposphärische Ozon bis 2030 um etwa fünf ppb und bis 2100 um bis zu zwanzig ppb ansteigen könnte, in einigen Regionen wie vor allem in Süd- und Ostasien sogar um mehr als 45 ppb.

Kohlenmonoxid (CO) entsteht bei der sauerstoffarmen Verbrennung fossiler Brennstoffe. Dazu gehören industrielle Prozesse, Kraftfahrzeugverkehr oder auch Waldbrände. Kohlenmonoxid reagiert in der Luft meistens mit Sauerstoff und oxidiert dann zu Kohlendioxid (CO₂). Indirekt trägt CO zum Treibhauseffekt bei.

Mit einer Verweilzeit in der Atmosphäre von etwa 2 bis 3 Monaten gehört CO zu den langlebigeren reaktiven Spurengasen.

Die mittlere Konzentration von CO liegt heute in der nördlichen Hemisphäre bei 140 ppbv (parts per billion by volume - Teile pro Milliarde im Volumenmischungsverhältnis), vor der Industrialisierung waren es etwa 90 ppbv. Auf der Südhalbkugel blieb die mittlere Konzentration mit 50 ppbv auf ihrem natürlichen Niveau.

Schwefeldioxid stammt hauptsächlich aus anthropogenen Quellen, wie beispielsweise aus industriellen Feuerungsanlagen. Oft lösen sich die Moleküle in Wolkentropfen, sodass sich die Lösung in Schwefelsäure umwandelt. Dazu gehört auch der saure Regen.

Die mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre beträgt 3 bis 4 Tage.

Der Gehalt an Schwefeldioxid in der Atmosphäre ist seit mehr als 20 Jahren gesunken, größtenteils durch Abgasreinigung der Kraft- und Heizwerke und der Industrie. Zudem sind Kraftstoffe für den Verkehr inzwischen schwefelärmer oder sogar schwefelfrei.

Vulkane speien neben Kohlendioxid auch große Mengen Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff aus. Letzterer ist für seinen Geruch nach faulen Eiern bekannt und wird sofort mit vulkanischen Erscheinungen assoziiert. Aus den Schwefelgasen kann sich elementarer Schwefel ablagern und in Verbindung mit Wasser entstehen Säuren.

Radon ist natürlichen Ursprungs und gilt als Hauptstrahlungsquelle aus dem Boden oder aus Gesteinen. Das radioaktive Edelgas entsteht innerhalb der Uran-Radium-Zerfallsreihe und steigt aus uranhaltigem Gestein zur Erdoberfläche auf. Anschließend gelangt Radon in die Atmosphäre.

Die Menge hängt von den Wetterverhältnissen ab - also ob es regnet, schneit oder der Boden gefroren ist. Bei starkem Wind und hohen Lufttemperaturen wird mehr Radon in der Atmosphäre festgestellt, weil die Luft mehr durchmischt wird. Dadurch kann es zu starken tages- und jahreszeitlichen Schwankungen kommen.

Außerdem hängt die Radon-Konzentration im Freien vom Gesteinsuntergrund ab. Daher gibt es große regionale Unterschiede. Global gesehen ist jedoch kein Anstieg der Radon-Konzentration festzustellen.

Meteorologen haben die Atmosphäre in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts zunächst mit Ballons, Flugzeugen und Radiosonden erforscht. In der zweiten Hälfte kamen neue technische Hilfsmittel wie Raketen, Radar und Satelliten zum Einsatz. So konnten sich Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ein genaueres Bild vom Aufbau der Atmosphäre machen.

Von unten nach oben gliedert sich die Atmosphäre in die folgenden "Stockwerke":

Bedeutsam fürs Wetter sind allerdings nur die beiden unteren Stockwerke, weil diese 99 Prozent der Masse der Luft enthalten.

In der Troposphäre spielt sich unser Wettergeschehen ab. Sie steigt nicht gleichförmig von den Polen zum Äquator an, sondern schwankt infolge der unterschiedlichen Erwärmung der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Je stärker die Aufheizung, umso mächtiger ist die Troposphäre. Sie ist also abhängig von der geographischen Breite und der Jahreszeit. Daher reicht die Troposphäre in den Polargebieten bis in etwa 8 Kilometer Höhe, in den Tropen bis in rund 18 Kilometer Höhe. Im Mittel liegt sie in 11 Kilometer Höhe bei Temperaturen um minus 56 Grad. In dieser Schicht wird es in der Regel mit der Höhe kälter. Zudem herrschen ständig aufsteigende und absinkende Luftströme. Sie können die Luft vom Boden bis zur oberen Grenze der Troposphäre durchmischen.

Ebenso bedeutsam für unser Wetter und Klima ist die Stratosphäre. Hier befindet sich die Ozonschicht, die uns vor schädlicher UV-Strahlung schützt. Die Stratosphäre erstreckt sich in etwa 10 bis 50 Kilometer Höhe über der Erdoberfläche.

Der Grenzbereich zwischen Stratosphäre und Troposphäre ist die Tropopause. Sie gilt als eine Inversion. Diese liegt in einer Höhe zwischen ungefähr 8 Kilometer an den geographischen Polen und 18 bis 20 Kilometer am Äquator. Sie enthält kaum Wasserdampf. Lediglich unter extrem kalten Bedingungen bilden sich perlmuttartig schimmernde Stratosphärenwolken aus.

Die Stratosphäre hat zwei große Temperaturbereiche:

Grund für diese Erwärmung ist die Ozonschicht, die innerhalb der Stratosphäre liegt. Ozonmoleküle nehmen die UV-Strahlung der Sonne auf und wandeln sie in Wärme um.

Dadurch dass die Temperatur mit der Höhe zunimmt, steigt die Luft nur sehr begrenzt auf oder ab. Das hat zur Folge, dass die Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre, die Tropopause wie eine undurchdringliche Sperrschicht wirkt.

Die Stratosphäre bleibt daher vom Wettergeschehen in der Troposphäre nahezu verschont und es herrschen ziemlich ruhige Verhältnisse vor. Am Oberrand der Stratosphäre schließt sich die Stratopause an, eine weitere Inversion.

Über der Stratopause liegt die Mesosphäre. Sie erstreckt sich in einer Höhe von 50 bis 85 Kilometer. Die Luft hat hier nur noch ein Tausendstel der Dichte der Luft auf Höhe des Meeresspiegels. In der Mesosphäre geht die Temperatur von Werten um 0 Grad bis auf minus 100 Grad zurück. Dieses Minimum wird in rund 80 Kilometer Höhe erreicht.

In der Mesosphäre verglühen Staubteilchen und kleinere Gesteinsbrocken aus dem All, die ohne die "Atmosphärenbremse" auf die Erde stürzen würden. Diese Himmelskörper können wir manchmal nachts als Sternschnuppen am Himmel sehen. Außerdem können sich in den hellen Sommernächten in einer Höhe von etwa 80 Kilometer Leuchtende Nachtwolken bilden.  Eine weitere Inversion umhüllt die Mesosphäre: die Mesopause.

Die Ionosphäre macht den Großteil der hohen Atmosphäre aus und beginnt in etwa 60 bis 80 Kilometer Höhe. Wie der Name verrät, schwirren in der Ionosphäre geladene freie Teilchen, die sogenannten Ionen, umher. Die harte kurzwellige Sonnenstrahlung und kosmische Strahlung, insbesondere die harte UV- und Röntgenstrahlung, entreißen den Teilchen Elektronen.

Übrig bleiben Protonen, Elektronen und Ionen. Dabei wird sehr viel Energie erzeugt, die rasch in Wärme umgewandelt wird. Dieser Prozess macht die Luft elektrisch leitfähig. Dadurch vermag die Funkwellen zu reflektieren. Nur so ist ein verbreiteter Funkverkehr möglich.

Das Ladungsmaximum liegt in einer Höhe von 300 Kilometer. Danach geht die Ionosphäre langsam in den interplanetaren Raum über. Das bedeutet, dass die Ionosphäre nach oben hin nicht begrenzt ist. Sie geht in einer Höhe von 1000 Kilometer nahtlos in die Plasmasphäre über, in der nahezu alle vorhandenen Teilchen ionisiert sind.

Ionen und freie Elektronen entstehen nur, wenn die Sonnenstrahlen die obere Atmosphäre erreichen. Daher ist die Konzentration geladener Teilchen vom Sonnenstand abhängig, das heißt auch, sie weist einen Tages- und Jahresgang auf. Nachts und bei einem flachen Auftreffwinkel der Sonnenstrahlen, wie zum Beispiel im Winter, verbinden sich negative und positive Ionen, Elektronen werden eingefangen. Dadurch bilden sich wieder neutrale Teilchen bzw. Moleküle.

Das Mischungsverhältnis der Gase in der Lufthülle ändert sich in größeren Höhen. Das führt dazu, dass sich die Ionen verschieden stark und in unterschiedlichen Mengen bilden. Man spricht dann auch von Ionisierungsgraden. Die Ionosphäre teilt man deshalb in weitere Schichten ein:

Die obere Atmosphäre wird auch vom Sonnenwind gestreift. Das ist ein steter Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausgestoßen wird. Das irdische Magnetfeld lenkt den Sonnenwind ab, der für uns auf der Erdoberfläche gefährlich wäre.

Nur in den Polregionen schaffen es die geladenen Teilchen, in die Atmosphäre einzudringen. Die schnellen Teilchen erzeugen regelmäßig Polarlichter.

Die Ionosphäre liegt größtenteils innerhalb der Thermosphäre, mit der sie oft fälschlich gleichgesetzt wird. Die Thermosphäre ist somit auch ein Teil der Ionosphäre und umgekehrt.

Dieses optische Phänomen erscheint in der Ionosphäre in einer Höhe zwischen 90 und 500 Kilometer. Hier ionisiert die UV-Strahlung der Sonne die Gase der Luft und regt sie zum Leuchten an. Je nach Gas können auch mehrere Farben auftauchen. Oftmals erscheint eine breite rötliche Schicht, die vermutlich aus dem Leuchten von Natrium resultiert.

Die Luft wird hier extrem dünn. Der Abstand zwischen den einzelnen, sehr schnellen Gasteilchen kann mehrere tausend Meter betragen. Die Temperatur hier zu messen wie an der Erdoberfläche, ist unsinnig, denn zwischen den Teilchen findet so gut wie kein Energieaustausch statt. Das heißt, es wird keine Hitze produziert. Über die Strahlungsenergie lässt sich die Temperatur jedoch indirekt bestimmen. Sie steigt bis über 1700 Grad.

Sie ist die äußerste Schicht der Erdatmosphäre und geht ab einer Höhe von 500 Kilometer fließend ins Weltall über. Der Druck ist hier so gering, dass man schon von Vakuum sprechen kann.

Der Einfluss der Erdanziehungskraft wird mit zunehmender Höhe immer schwächer. Irgendwann ist dieser so schwach, dass die Gasmoleküle nicht mehr festgehalten werden können und ins All entweichen.

Als äußerste Hülle umschließt die Magnetosphäre die Erde. In diesem Bereich, der in rund 1000 Kilometer über der Oberfläche beginnt, wirkt vor allem das Erdmagnetfeld. Die Richtung und Geschwindigkeit elektrischer Teilchen wird hier beeinflusst. Das Erdmagnetfeld leitet den größten Teil des Sonnenwindes, der aus hochenergetischen Teilchen besteht, um die Erde herum.

Die Sonne sendet unaufhörlich elektrisch geladene Teilchen aus. Dieser Strom nennt sich Sonnenwind. Er trifft pausenlos auf die Obergrenze der Magnetosphäre (Magnetopause) und deformiert diese. Auf der sonnenzugewandten Seite drückt die Stoßwelle die Magnetosphäre auf etwa 10 Erdradien zusammen. Auf der sonnenabgewandten Seite gleicht sie einem stromlinienförmigen Schweif mit einer Länge von bis zu 60 Erdradien.

Eine hohe Sonnenaktivität mit vielen Sonnenflecken und Ausbrüchen starker Teilchenstrahlung führen dazu, dass das Magnetfeld noch weiter "eingedrückt" wird. Dies bewirkt, dass die elektrisch geladenen Teilchen entlang der Feldlinien in die oberen Schichten der polaren Regionen eindringen können. Sie lösen schließlich Polarlichter aus.

Ein Synonym für Standardatmosphäre ist die sogenannte Normalatmosphäre. Beide Begriffe kommen aus der Luftfahrt und bezeichnen idealisierte Eigenschaften der Erdatmosphäre. Festgelegt hat sie die Organisation ICAO (International Civil Aviation Organization). Die Standardatmosphäre wird vor allem dazu gebraucht, Messgeräte, wie Höhenmesser in Flugzeugen zu eichen.

Die Normalatmosphäre stellt in etwa einen Mittelwert des auf der Erde herrschenden Luftdrucks, der Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie der Temperaturabnahme je 100 Meter Höhenstufe dar. Um jahreszeitliche Schwankungen auszugleichen, wird der Wasserdampfgehalt des Gasgemischs gleich Null gesetzt.

In der internationalen Standardatmosphäre in mittleren Breiten um 40° Nord (Deutschland) herrschen folgende Werte:

Vor Milliarden Jahren setzte sich die Uratmosphäre aus lebensfeindlichen Gasen zusammen. Diese entstanden durch die langsame Abkühlung der Erde und dem dabei auftretenden Vulkanismus, der zu einer umfangreichen Ausgasung aus dem Erdinneren führte.

Die Hauptbestandteile waren Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus enthielt die Uratmosphäre in geringeren Mengen Stickstoff, Wasserstoff, Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Argon. Freier Sauerstoff kam dagegen noch nicht vor.

Die Erdoberfläche erhitzte sich durch wiederholte Materieeinschläge so stark, dass sehr leichte Gase wie Wasserstoff rasch ins Weltall entweichen konnten. Zusätzlich ging es mit der Kernfusion der Sonne vor rund 4,5 Milliarden Jahren erst richtig los. Der Sonnenwind, der dadurch entstand, fegte die noch fragile Uratmosphäre regelrecht weg. Dieser Sonnenwind war damals vermutlich 1000 Mal stärker als heutzutage.

Die leichten Gase wie Wasserstoff gingen in den ersten Millionen Jahren weitgehend an den Weltraum verloren. Die sehr hohe Konzentration von Wasserdampf, die damals etwa vier Fünftel der Uratmosphäre ausmachte, und Kohlendioxid führten zu einem extremen Treibhausklima ähnlich wie auf unserem Nachbarplaneten Venus.

Die Temperaturen lagen deutlich über 100 Grad. Bei solch hohen Temperaturen kann Wasser nur im gasförmigen Zustand existieren.

Im Laufe Hunderter Millionen Jahre kühlte die Erdoberfläche langsam ab, der Wasserdampf kondensierte und es regnete tausende Jahre unaufhörlich. Die Wassermassen von oben sammelten sich in den riesigen Becken auf der Erdoberfläche und bildeten den Urozean.

Das Treibhausgas Wasserdampf wurde durch Kondensation der Atmosphäre entzogen. Der Regen wusch zudem das Kohlendioxid gleich mit aus. Anschließend löste es sich in dem entstehenden Ozean, verband sich mit verwitterten Mineralien und sank auf den Meeresboden.

Besonders mit Kalzium bildete es im Meer Kalkgestein und wurde damit der Atmosphäre völlig entzogen. Da die wichtigsten Treibhausgase nur noch in geringer Konzentration vorhanden waren, kühlte sich die Atmosphäre stark ab, da die wichtigsten Treibhausgase nur noch in geringer Konzentration vorhanden waren. Geologen haben jede Menge Indizien gefunden, dass die Erde sich für Millionen Jahre in eine Schnee- und Eiskugel verwandelte.

Freier Sauerstoff kam in der Uratmosphäre zunächst nicht vor, weil er schnell mit anderen Elementen chemisch reagiert. Erst durch die Photosynthese pflanzlicher Lebewesen vor etwa 2,3 Milliarden Jahren nahm die Konzentration freien Sauerstoffs in der Atmosphäre zu, zunächst auf ungefähr 3 Prozent bis vor 1 Milliarde Jahren.

Leben spielte sich zunächst noch unter der Wasseroberfläche ab, da die Erdatmosphäre noch keine schützende Schicht vor der gefährlichen UV-Strahlung hatte.

Erst vor etwa 750 bis 400 Millionen Jahren nahm die Sauerstoffkonzentration in der Luft immer weiter zu, sodass in der Urstratosphäre Ozon entstehen konnte. Es schirmte die Erdoberfläche immer mehr von starken UV-Strahlen ab, sodass sich erstes Leben an Land entwickelte.

Vor 500 bis 600 Millionen Jahren stieg die Luftsauerstoffkonzentration auf 12 Prozent. Das heutige Niveau von rund 21 Prozent wurde erstmals vor etwa 350 Millionen Jahren erreicht, durchlief aber auch danach noch mehrere starke Schwankungen.

Auch Stickstoff und Edelgase reicherten sich allmählich an, während der Kohlendioxidgehalt der irdischen Gashülle konstant blieb (wenn man von der Gegenwart absieht). Pflanzen brauchen Kohlendioxid zur Photosynthese. Auch Ozeane spielen als CO₂-Senker eine Rolle und durch Verwitterung von Gesteinen wird Kohlendioxid rasch gebunden.

Die leichteren Gase Wasserstoff und Helium werden ständig neu gebildet und entweichen aus dem Schwerefeld der Erde. Daher bleibt auch deren Gehalt in der Atmosphäre konstant.