Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO₂ genannt. Obwohl der CO₂-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Ob dunkle Gewitterwolken oder blauer Himmel, sanfter Lufthauch oder starker Wind: Beinahe das gesamte Wettergeschehen findet bis in einer Höhe von 15 Kilometern statt. Diese untere Schicht der Atmosphäre wird deshalb auch Wetterschicht genannt. Wissenschaftler sagen Troposphäre dazu. Etwa 90 Prozent der gesamten Luft und fast der ganze Wasserdampf der Erdatmosphäre sind in dieser Schicht enthalten. Je höher die Lage in der Troposphäre, desto kälter wird es: An ihrer Obergrenze herrschen eisige Temperaturen von bis zu minus 80 Grad Celsius.

In der Schicht darüber, der Stratosphäre, steigt die Temperatur plötzlich wieder an. In etwa 50 Kilometer Höhe erreicht das Thermometer sogar einen Wert um 0 Grad Celsius. Grund für diese Erwärmung ist die Ozonschicht, die innerhalb der Stratosphäre liegt. Diese wirkt wie eine Heizung: Sie nimmt die UV-Strahlung der Sonne auf und wandelt sie in Wärme um.

Über der Stratosphäre liegt in einer Höhe von 50 bis 80 Kilometern die Mesosphäre. Weil diese Schicht kein Ozon enthält, wird es wieder bitterkalt, bis zu minus 100 Grad Celsius. Damit ist die Mesosphäre die kälteste Schicht der Atmosphäre. Hier werden Staubteilchen und kleinere Gesteinsbrocken aus dem All aufgehalten, die sonst als Meteoriten auf die Erde stürzen würden. Diese Himmelskörper können wir manchmal nachts als Sternschnuppen am Himmel sehen.

Oberhalb der Mesosphäre wird die Luft immer dünner. Die Erdanziehung schwächt sich mit zunehmender Höhe ab und kann daher die Gasteilchen immer weniger festhalten. So bildet die Thermosphäre über Hunderte von Kilometern einen fließenden Übergang ins Weltall. Ihren Namen hat die Thermosphäre von den hohen Temperaturen, die hier herrschen: Sie steigen bis zu 1700 Grad an. Heiß ist es nach unserer Vorstellung allerdings nicht, denn für das Gefühl von Hitze schwirren zu wenige Gase umher.

Fast der gesamte Sauerstoff in der Luft wird von Pflanzen durch die Fotosynthese hergestellt. Bei diesem Vorgang bildet die Pflanze aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht für sie wichtige Nährstoffe. Als Nebenprodukt entsteht bei der Fotosynthese auch Sauerstoff.

Den Sauerstoff, den die Pflanze nicht braucht, gibt sie an ihre Umgebung ab. Eine große Buche zum Beispiel produziert in einer Stunde etwa so viel Sauerstoff wie 50 Menschen in derselben Zeit zum Atmen benötigen. Mensch und Tier atmen diesen Sauerstoff ein, verbrauchen ihn und atmen Kohlendioxid aus. Dieses Kohlendioxid nehmen bei der Fotosynthese die Pflanzen auf, während sie gleichzeitig neuen Sauerstoff erzeugen. Ein Kreislauf zwischen Pflanzen, Menschen und Tieren entsteht.

Im Lauf der Erdgeschichte wurde viel mehr Sauerstoff freigesetzt als die Lebewesen beim Atmen verbraucht haben. So gelangte immer mehr Sauerstoff in die Atmosphäre. Aus dem wachsenden Anteil an Sauerstoff konnte sich, hoch oben in der Stratosphäre, die Ozonschicht bilden, die uns vor gefährlicher UV-Strahlung schützt.

Seitdem die Menschen immer mehr Erdöl, Erdgas und Kohle verbrennen, wird dieser natürliche Sauerstoffkreislauf empfindlich gestört: Das Verbrennen verbraucht Sauerstoff und gleichzeitig wird auch noch Kohlendioxid ausgestoßen. Aus diesem Grund ist der Anteil an Kohlendioxid in der Luft während der letzten 250 Jahre stark angestiegen. Der Anstieg dieses Spurengases ist die Hauptursache für den vom Menschen gemachten Treibhauseffekt und damit auch für die Erwärmung der Atmosphäre.

Etwas Ähnliches geschieht im großen Maßstab auf der Erde. Die Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf sind von Natur aus in der Atmosphäre enthalten. Wasserdampf gelangt durch Verdunstung in die Luft, Kohlendioxid dadurch, dass wir ausatmen. Auch Vulkanausbrüche tragen zum natürlichen Kohlendioxidgehalt der Luft bei. Beide Gase haben den gleichen Effekt wie das Glas eines Treibhauses: Sie lassen die kurzwelligen Sonnenstrahlen bis zur Erde vordringen. Gleichzeitig behindern sie, wie eine unsichtbare Schranke, die langwellige Wärmestrahlung auf ihrem Rückweg ins All. Die Wärme staut sich und die Atmosphäre heizt sich auf.

Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre kaum Leben auf der Erde möglich, denn für die meisten Lebewesen wäre es viel zu kalt. Anstatt der aktuellen Durchschnittstemperatur von plus 15 Grad würden hier eisige minus 18 Grad Celsius herrschen. Die Erdoberfläche wäre tiefgefroren!

Das Problem beginnt dann, wenn wir den Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre zusätzlich erhöhen. Das geschieht vor allem durch das Verbrennen von Erdöl, Erdgas und Kohle. Wohnung heizen, Auto fahren, Müll verbrennen: Bei all diesen Vorgängen wird Kohlendioxid ausgestoßen. Dieses CO₂ hat den größten Anteil am menschengemachten Treibhauseffekt. Aber auch der Anbau von Reis oder die Rinderhaltung verstärken den Effekt: In den Mägen von Wiederkäuern und in den überfluteten Böden der Reisfelder entstehen große Mengen Methan (CH₄) – ebenfalls ein Treibhausgas. Zusätzlich gehören noch Lachgas, Ozon und Fluorkohlenwasserstoff zu den Treibhausgasen. Weil durch all diese Gase die Wärmeabstrahlung der Erde gebremst wird, steigen die Temperaturen auf unserem Globus weiter an.

Wenn man in der Erdgeschichte zurückschaut, findet man schon vor über zwei Milliarden Jahren Spuren von Lebewesen, die Sauerstoff benötigt haben müssen. Damals muss es also schon Sauerstoff in der Luft gegeben haben.

Noch deutlich älter sind versteinerte Spuren von mikroskopisch kleinen Bakterien, Blaualgen genannt. Und die haben es in sich: Diese Organismen waren die ersten, die die Energie des Sonnenlichts für ihren Stoffwechsel nutzen konnten. Sie nahmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umwelt auf und wandelten diese mit Hilfe der Sonnenenergie in Zucker um, der ihnen als Energiespeicher diente. Außerdem entstand bei dieser chemischen Reaktion – sozusagen als Abfallprodukt – Sauerstoff. Mit dem Sauerstoff konnten die Bakterien jedoch nichts anfangen und gaben ihn einfach in die Umgebung ab.

Zu dieser Zeit gab es reichlich Sonnenlicht und Kohlendioxid und die Weltmeere waren vergleichsweise warm. Dies waren beste Bedingungen für die Blaualgen, und so konnten sie sich stark vermehren und ausbreiten. Dabei produzierten sie immer mehr Sauerstoff, der sich über Jahrmillionen zunächst in den Meeren und später in der Atmosphäre ansammelte.

So schuf das Abfallprodukt dieser Bakterien die Voraussetzungen für höhere Lebensformen im Wasser und auf dem Land. Aus den Bakterien gingen später die Chloroplasten hervor, die bis heute in jeder Pflanze die Sonnenenergie einfangen. Auch das Prinzip der sogenannten Photosynthese ist gleich geblieben: Mit Hilfe von Sonnenlicht werden Wasser und Kohlendioxid zu Zucker und Sauerstoff umgesetzt. Der Zucker dient als Nährstoff für die Pflanze, der Sauerstoff wird in die Luft abgegeben und von Menschen und Tieren eingeatmet.