Die Schichten der Atmosphäre
Die Meteorologie ist die Lehre von der Physik der Atmosphäre. Dabei ist die Schicht, in der unser Wetter stattfindet, nur ein kleiner Teil unserer Erdatmosphäre. Sie unterteilt sich in weitere Schichten, die jeweils recht unterschiedliche Eigenschaften haben.
Die Troposphäre 0 – 12 km:
Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Atmosphäre und reicht bis etwa 17 km Höhe in den Tropen und bis 7 km Höhe an den Polen. Da die Troposphäre fast das gesamte Wasser unserer Atmosphäre enthält, spielt sich hier unser tägliches Wetter mit all seinen Facetten und Wolkenformen ab. Antrieb für unser Wetter ist dabei die unterschiedlich starke Sonnenstrahlung, die den Erdboden erwärmt. Da warme Luft aufsteigt und kalte Luft absinkt, wird die Troposphäre durch verschiedene Wirbel durchmischt (Konvektion). Daher leitet sich auch ihr Name vom altgriechischen Wort „trope“ (Wendung, Änderung) ab. In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe im Mittel mit 6,5 K/1 km ab und erreicht an ihrer Obergrenze, der Tropopause, Werte von unter -50 °C.
Die Stratosphäre 12 – 50 km:
Die Prozesse in der Stratosphäre werden nicht mehr durch Konvektion bestimmt, sondern durch das Strahlungsgleichgewicht. Die Stratosphäre ist der Ort, an dem die UV-Strahlung in der Atmosphäre absorbiert wird. Dies geschieht in der Ozonschicht. Dabei wird die energiereiche UV-Strahlung der Sonne absorbiert und in Wärme umgewandelt. Deshalb steigt die Temperatur in der Ozonschicht bis nahe 0 °C. Ohne diese lebenswichtige Ozonschicht würde die energiereiche Strahlung bis zum Erdboden gelangen. Die Luft in der Stratosphäre ist sehr trocken, sodass es dort abgesehen von Polarstratosphärischen Wolken keine anderen Wolken gibt.
Die Mesosphäre 50 – 85 km:
In der Mesosphäre ist kaum noch absorbierendes Ozon vorhanden, sodass dort die mittlere Temperatur durch den geringen Druck auf Werte von -90 °C fällt. Dabei stellt sich eine Zirkulation vom Sommerpol zum Winterpol ein. Da die Luft über den Sommerpol aufsteigt und sich dabei abkühlt, werden dort an der Oberkante der Mesosphäre in der Mesopausenregion Temperaturen von bis zu -180 °C erreicht. Das ist die kälteste natürlich vorkommende Temperatur auf der Erde. Diese Schicht ist so kalt, dass der spärlich vorhandene Wasserdampf zu Wolken sublimiert, die manchmal im Sommer als leuchtenden Nachtwolken sichtbar werden, wenn sie von der Sonne, die dann nur wenig unter dem Horizont steht, in der Nacht noch angeschienen werden.
Die Thermosphäre 85- 500 km:
In der Thermosphäre steigt die Temperatur mit der Höhe deutlich an. Die Ursache dafür ist die geringe Dichte des Gases, das hier größtenteils wegen der energiereich Röntgen- und UV-Strahlung nur noch in ionisierter Form vorliegt. Je nach Stärke des Sonnenwindes kann die Temperatur in der Thermosphäre bis zu 1500 °C ansteigen. Auf Grund der geringen Dichte und intensiven Strahlung ist die mittlere Geschwindigkeit (exakter kinetischer Energie) der Teilchen sehr hoch. Da die Temperatur über die mittlere Geschwindigkeit (exakter kinetischen Energie) der Teilchen definiert ist, kommen die hohen Temperaturen in der Thermosphäre zustande. Mit einem Thermometer lassen sich diese hohen Temperaturen allerdings nicht messen, da die Wärmeübertragung durch die geringe Dichte nur sehr gering ist. Man würde diese hohen Temperatur also auch nicht als heiß empfinden. In der Mesosphäre treten die Polarlichter auf. Auch der Orbit der Internationalen Raumstation ISS befindet sich in der Mesosphäre. Die Exosphäre ab 500 km:
Die Exosphäre ist die oberste Schicht der Atmosphäre und markiert den fließenden Übergang zum Weltraum. Sie besteht meist aus nur leichten Teilchen. Da sich leichte Teilchen schneller bewegen können, fällt es ihnen leichter dem Gravitationsfeld der Erde zu entkommen. Auch in der Exosphäre herrschen Temperaturen von 1000 °C. Ab etwa 1000 km kommt nur noch meist ionisierter Wasserstoff vor.
Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 06.11.2020
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