Tropopause

Schichtung der Atmosphäre

Durchschnittliche Temperatur und molare Masse in Abhängigkeit von der Höhe.

Die Tropopause (von griechisch tropé „Wendung, Kehre“ und pauein „beenden“) ist die wichtigste Grenzfläche der Erdatmosphäre und liegt breitenabhängig in 6 bis 18 km Höhe. Sie ist durch eine deutliche Änderung im Temperaturverlauf charakterisiert und trennt die vom Wetter geprägte Troposphäre von der darüber liegenden stets stabil geschichteten und sehr trockenen Stratosphäre.

Definitionen und Verlauf der Tropopause

In der Troposphäre sinkt die Lufttemperatur mit der Höhe – abgesehen von kleineren Inversionen – um etwa 0,5 bis 0,7 °C pro 100m (siehe auch Standardatmosphäre und barometrische Höhenformel). Die Schichtung ist stabil, sobald der tatsächliche Gradient unter den adiabatischen Gradienten fällt. Darüber bleibt die Temperatur zunächst fast konstant bei unter −50 °C. Kleinere Wellen in realen vertikalen Temperaturprofilen würden mit der einfachsten Definition der Tropopause, „Umkehr des Temperaturgradienten“, deshalb zu Mehrdeutigkeiten führen.

Die Definition der WMO geht von einem Gradienten von −0,2 °C pro 100 m aus und versucht durch Zusatzbedingungen, Mehrdeutigkeiten möglichst zu vermeiden.^[1] Bei diesem Gradienten ist die Krümmung des Temperaturverlaufs typischerweise größer und die so definierte Tropopause liegt etwas tiefer, näher am Wettergeschehen.

Alternative Definitionen benutzen Eigenschaften der Luftmassen, um ihre strato- oder troposphärische Herkunft festzustellen. Das Spurengas CO z. B. entsteht bodennah und wird in der Stratosphäre auf einer Zeitskala von Monaten abgebaut, während Ozon in der Stratosphäre entsteht und in der freien Troposphäre abgebaut wird (nicht zu verwechseln mit lokaler Bildung von Ozon beim Sommersmog). Ein ähnlicher Indikator für stratosphärische Herkunft ist der Betrag der potentiellen Vortizität, die in der Troposphäre durch Dissipation vermindert wird. Verschiedene Zahlenwerte, oft 1,5 oder 2 PVU werden benutzt, um die Tropopause zu definieren (am Äquator divergiert diese Höhe, dort wird dann z. B. die potentielle Temperatur herangezogen).^[2]

Die verschiedenen Definitionen der Tropopause ergeben einen im Wesentlichen übereinstimmenden meridionalen Höhenverlauf: Flach in etwa 16 km Höhe in Äquatornähe (ca. ±20 Breitengrade um die sich jahreszeitlich verlagernde innertropische Konvergenzzone herum), dann nach Norden und Süden erst deutlich, dann flacher abfallend bis auf 6 bis 9 km jenseits 60° Breiten, im Winter niedriger als im Sommer. Abweichungen davon sind regional, etwa eine Überhöhung im Westpazifik, oder temporär, wie Anstiege bis auf über 18 km über Südostasien zu Monsunzeiten. Der Abfall verläuft auch nicht immer stetig: An den subtropischen Strahlströmen kommen in Verbindung mit Mehrdeutigkeiten Sprünge nach unten vor (dort wird dann troposphärische Luft zu stratospärischer), an den polaren Strahlströmen treten Absenkungen der Tropopause auf, gelegentlich mit Einziehen von Stratosphärischer Luft in die Troposphäre.^[3] Siehe hierzu auch Planetarische Zirkulation.

Die Temperatur an der Tropopause ist von ihrer Höhe abhängig. Die global niedrigsten Temperaturen von bis zu −80 °C treten über dem Äquator auf.

Im Zusammenspiel von globaler Erwärmung und dem Ozonabbau, die zu einer ansteigenden Temperatur in der Troposphäre und einer sinkenden Temperatur in der Stratosphäre führen, konnte 2003 eine Verschiebung der Tropopause um mehrere hundert Meter zwischen 1979 und 1999 in die Höhe festgestellt werden.^[4]

Bedeutung der Grenze oberhalb der Wolken

Da Wasser bei den niedrigen Temperaturen der oberen Troposphäre kaum noch als Wasserdampf vorliegt und seiner Sedimentation als Eis in der stabil geschichteten unteren Stratosphäre keine konvektive Durchmischung entgegenwirkt, bleibt es in der Troposphäre quasi gefangen. Daher ist die Atmosphäre oberhalb der Tropopause sehr trocken und es gibt praktisch keine Wolken mehr, was Flugpassagieren oft als fantastische Fernsicht auffällt. In der globalen Außensicht erkennbar wird die Lage der Tropopause durch die Verbreiterung manch hoher Gewitterwolken. Besonders heftige Aufwinde lassen manche tropischen Gewitter über die umgebende Tropopause hinausschießen und tragen geringe Mengen Wasser in die untere Stratosphäre.

Die Trockenheit der Stratosphäre führt dazu, dass die von Wasserdampf in der oberen Troposphäre emittierte Wärmestrahlung ungehindert in den Weltraum entweicht. Die dadurch bedingte Abkühlung sorgt einerseits für die Konvektion unterhalb der Tropopause, andererseits oberhalb für Stabilität, die wiederum den Transport von Wasser und damit den Verlust des leichten Wasserstoffs in den Weltraum unterbindet (oberhalb der schützenden Ozonschicht wird Wasser von der UV-Strahlung der Sonne gespalten).

Auf der Venus sind die Temperatur-Proportionen höher, daher konnte viel Wasser entweichen (Schwefelsäure hat mit dem höheren Siedepunkt dort die Bedingungen wie Wasser auf der Erde, es regnet in der Tropopause ab, Wasser passiert dort ungehindert). Infolge dessen hat sie einen großen Teil ihres Wassers verloren.

Entdeckung

Die Grenzschicht der Tropopause wurde in den Jahren 1901/1902 im Zuge eines spektakulären Ballonaufstiegs auf 10.800 Meter von Reinhard Süring und Arthur Berson entdeckt. Die beiden Ballonfahrer fielen trotz guter Versorgung mit Sauerstoff zwischen 10 und 11 km Höhe in eine tiefe Ohnmacht, zogen aber knapp vorher die lebensrettende Leine zum Sinken. Als der Luftdruck von nur mehr etwa 25 % in rund 6 km Höhe wieder fast 50 % betrug, erwachten sie gleichzeitig, konnten das rasche Absinken 2 km über dem Boden stabilisieren und eine glatte Landung herbeiführen.

Im Mai 1902 publizierten die Meteorologen Richard Aßmann - der Chef der o.e. Ballonfahrer - und Léon-Philippe Teisserenc de Bort gleichzeitig über die Existenz einer darüber liegenden Stratosphäre. Der Ballon hatte die Tropopause zwar nicht ganz erreicht, die vorgenommenen Temperaturmessungen bestätigten aber diejenigen eines gleichzeitig aufgestiegenen Registrierballons, der in die Stratosphäre vorgestoßen war. Die Forscher konnten so die nach oben nicht weiter sinkende Lufttemperatur nachweisen.

Weblinks

• Berlin, Wiege der Stratosphärenforschung
• Bericht vom Ballonaufstieg

Einzelnachweise

1. ↑ WMO-Definition der Tropopause
2. ↑ R. James, B. Legras: Mixing processes and exchanges in the tropical and the subtropical UT/LS. Atmos. Chem. Phys., 2009 [1]
3. ↑ B. Geerts and E. Linacre: The height of the tropopause
4. ↑ B. D. Santer et al.: Contributions of Anthropogenic and Natural Forcing to Recent Tropopause Height Changes. Science, 2003, doi:10.1126/science.1084123

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