Obere Atmosphäre

Basis

Die Schichten der Atmosphäre

Die Schichten der Atmosphäre zeichnen sich durch Änderungen in den physikalischen Eigenschaften aus. Die Temperatur ändert sich mit der Höhe, der Druck fällt, je höher wir kommen. Mit ihm wird auch die Dichte der Luft geringer. Je höher wir sind, desto weniger Luftmoleküle finden wir im selben Volumen (z.B. einem Kubikmeter). Aber auch die Luftfeuchte und die Windgeschwindigkeit ändern sich.

Nichts von dem ist unmittelbar zu sehen, wenn wir vom Erdboden aus in den Himmel schauen. Wir sehen entweder Wolken oder einen blauen Himmel, aber keine Schichten in der Atmosphäre. Das Blau des Himmels kommt vom blauen Anteil des weißen Sonnenlichtes, welches stärker gestreut wird als die roten Anteile. Von Schichten aber sehen wir nichts. Können wir sie überhaupt wahrnehmen? Ein bisschen tun wir dies, wenn wir mit einem Flugzeug in die Höhe steigen. Unabhängig vom Wetter unter uns sehen wir meist blauen Himmel und keine Wolken über uns, wenn Höhen von 10-11 km erreicht sind. In diesem Fall fliegen wir im Bereich der Tropopause oder sogar in der unteren Stratosphäre. Es sind keine Wolken mehr da, weil nicht genügend Wasser vorhanden ist.

Warum ändert sich die Temperatur?

Es gibt regionale Temperaturunterschiede in der Atmosphäre, die lokale Gründe haben: Z.B. kühlt das Festland schneller ab, als es der Ozean tut. Oder kalte Luft von den Bergen ändert die Temperatur in der bodennahen Schicht. Aber im größeren Maßstab betrachtet und im weltweiten Mittel gibt es zwei Hauptgründe für Temperaturänderungen:

a) Die Erde nimmt die Energie des Sonnenlichtes auf und erwärmt sich. Je weiter wir von der warmen Erdoberfläche entfernt sind in Richtung des Weltraumes, desto kälter wird die Luft. Die Temperatur sinkt mit zunehmender Höhe.

b) Diese generelle Regel wird dann aufgehoben oder vielmehr überlagert, wenn Moleküle in der Luft einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren und nun selbst die Luft aufheizen. In diesem Fall liegt ein lokales Temperaturmaximum vor. Dies ist in der Ozonschicht in der Stratosphäre gegeben, wo die Temperatur ansteigt bis sie ihr Maximum in etwa 50 km Höhe erreicht (Stratopause), dort, wo die Ozonmoleküle die UV Strahlen zu absorbieren beginnen. In der Mesosphäre fällt die Temperatur wieder. Ein erneuter Anstieg  ist in der Thermosphäre zu beobachten. Hier absorbieren Stickstoff und Sauerstoff extrem kurzwelliges und energiereiches Ultraviolett-Licht der Sonne und werden z.T. ionisiert. Darum wird diese Schicht bisweilen auch Ionosphäre genannt.

Warum fällt der Druck?

Der Unterschied zwischen Wasser und Luft ist, dass Luft komprimierbar ist und Wasser nicht. Wir können Luft zusammendrücken. Wenn wir im Meer tauchen, so lastet in 10 m Tiefe 1 bar Wasserdruck auf uns, in 20 m Tiefe sind es 2 bar, weil sich die Menge Wasser über uns verdoppelt hat. Luft verhält sich ein wenig so, als würden wir einen hohen Stapel sehr leichter Kissen auftürmen (Bild links). Die Kissen auf dem Boden werden von den höher aufliegenden stark zusammengedrückt. Haben wir in der untersten Schicht noch 10 Kissen in 30 cm zusammengepresst, so ist es in der achten Schicht nur noch eines, obwohl jedes Kissen für sich das gleiche Gewicht hat. Nicht anders verhält es sich in der Atmosphäre. Klimaforscher und Meteorologen verwenden daher nicht nur die Längeneinheit Meter um die Höhe anzugeben. Sie geben oft auch den (Luft)Druck an. Die Komprimierbarkeit der Luft hängt geringfügig von der Temperatur ab. Grob gemittelt können wir aber sagen, dass der Druck sich jeweils nach 5,5 km Höhenänderung halbiert. Haben wir also 1000 hPa (1 bar) am Boden, so sind es noch 500 hPa in 5,5 km Höhe, 250 hPa in 11 km usw.

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Ist die Thermosphäre wirklich so heiß?

Profile der Atmosphäre zeigen oft Temperaturen von 500-1000°C in 200-500 km Höhe in der Thermosphäre. Ist es dort wirklich so heiß? Das Problem ist in diesem Fall die Definition der Temperatur. Moleküle in der Luft haben eine bestimmte Energie. Messen wir diese mit einem Thermometer, so übertragen sie diese Energie, während sie gegen die Oberfläche des Thermometers stoßen. In der Thermosphäre ist die Energie der Moleküle nun wirklich sehr hoch, sodass die Temperaturangabe korrekt ist. Aber die Anzahl der Moleküle in einem Luftpaket ist nur ein Millionstel des Wertes am Erdboden. Daher ist die Häufigkeit von Stößen (z.B. mit einem Thermometer) sehr gering und ein möglicher Energieübertrag niedrig. Die Temperatur in der Thermosphäre ist daher ein Wert, der etwas über Molekülenergien aussagt. Wir können ihn aber nicht direkt mit einem Thermometerwert vergleichen, den wir am Boden messen.

4. c) Die Grafik rechts zeigt einen Ausschnitt aus den beiden Wetterkarten oben, sowohl für den Erdboden (tiefblau unten) als auch für 9 km Höhe (hellblau oben) für jeweils dieselbe Region. Wie hoch ist die Windgeschwindigkeit in km/h an den rot markierten Orten?

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Wie ändert sich der Wind?

Die beiden Wetterkarten oben (300 hPa = ca. 9 km und 1000 hPa) zeigen, dass Druckdifferenzen und Windgeschwindigkeiten am Boden und in der oberen Troposphäre sich deutlich unterscheiden. Daher ist auch für den Luftverkehr eine spezielle Wettervorhersage erforderlich. Windgeschwindigkeiten steigen mit zunehmender Höhe und typische Werte in der Nähe der Tropopause würden wir am Boden als schwere Stürme betrachten. In der Stratosphäre jedoch ändert sich nicht nur der Temperaturtrend, auch die Windgeschwindigkeit fällt wieder deutlich ab.

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About this page: Author: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz Scientific reviewer: Dr. John Crowley - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-04 Educational proofreading: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg Last published: 2004-05-05