E12-Zusammensetzung und vertikale Struktur

Thema

Die Erdatmosphäre ist in Schichten unterteilt, die sich primär durch die Temperaturänderung mit der Höhe unterscheiden. Die Troposphäre, die sich von der Erdoberfläche bis in eine durchschnittliche Höhe von etwa 12 km erstreckt, weist einen Temperaturabfall von ungefähr 6,5 °C pro Kilometer auf. Darüber liegt die Stratosphäre, etwa zwischen 12 und 50 km, in der die Temperatur mit der Höhe hauptsächlich aufgrund der Absorption ultravioletter Strahlung durch Ozon zunimmt. Zwischen etwa 50 und 80 km befindet sich die Mesosphäre, in der die Temperatur mit der Höhe wieder abnimmt, gefolgt von der Thermosphäre. Dieses wechselnde Temperaturprofil bildet die Grundlage für die vertikale Struktur der Atmosphäre.

Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre wird Tropopause genannt. Ihre Höhe variiert erheblich mit dem Breitengrad: In den Tropen liegt sie zwischen 16 und 18 km, in den Polargebieten üblicherweise zwischen 8 und 10 km. Dieser Unterschied spiegelt die thermischen und dynamischen Bedingungen der jeweiligen Region wider. Intensive tropische Konvektion hebt die Tropopause an, während die kältere, stabilere Luft der Polarregionen sie auf einer niedrigeren Höhe hält. Ihre Position ergibt sich somit aus dem Gleichgewicht zwischen Strahlungs- und dynamischen Prozessen und kann sich bei einer Änderung dieses Gleichgewichts verändern.

Die Stratosphäre besitzt zudem eine großräumige atmosphärische Zirkulation, die sogenannte Brewer-Dobson-Zirkulation. Luft steigt vorwiegend in den Tropen auf, bewegt sich in Richtung höherer Breiten und sinkt schließlich in außertropischen und polaren Regionen wieder ab. Diese Zirkulation ist mit atmosphärischen Wellen verbunden, die in der Troposphäre entstehen, sich in die Stratosphäre ausbreiten und dort Impuls übertragen. Dadurch tragen sie zur meridionalen Bewegung der Stratosphärenluft bei. Die Brewer-Dobson-Zirkulation spielt auch eine grundlegende Rolle bei der Verteilung von Ozon und anderen Spurengasen, indem sie diese aus ihren Entstehungsgebieten transportiert und ihre globale Verteilung beeinflusst.

Die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Wellen und der Stratosphäre kann besonders intensive Episoden hervorrufen, die als stratosphärische Erwärmungsereignisse bekannt sind. Während solcher Ereignisse kann die Temperatur der polaren Stratosphäre innerhalb weniger Tage um mehrere zehn Grad ansteigen. Gleichzeitig kann sich der stratosphärische Polarwirbel, der durch starke, im Winter um den Pol wirbelnde Winde entsteht, erheblich abschwächen und im Extremfall sogar seine Windrichtung umkehren.

Die Folgen dieser Phänomene können sich bis in tiefere Atmosphärenschichten ausbreiten. Die Kopplung zwischen Troposphäre und Stratosphäre wirkt somit in beide Richtungen. Von unten entstehende Wellen breiten sich in der Troposphäre nach oben aus und beeinflussen die stratosphärische Zirkulation, einschließlich der Brewer-Dobson-Zirkulation und des Polarwirbels. Von oben können Störungen aus der Stratosphäre wiederum in die Troposphäre gelangen und die atmosphärischen Zirkulations- und Druckmuster über Wochen verändern.

Schwächt ein plötzliches Erwärmungsereignis den Polarwirbel stark ab, können die Folgeeffekte die Zirkulationsmuster in der Arktis und im Nordatlantik verändern. Diese Veränderungen können bestimmte atmosphärische Konfigurationen begünstigen, die das Eindringen kalter Luft in einige Regionen der mittleren Breiten ermöglichen. Es besteht somit ein dynamischer Zusammenhang, durch den Störungen, die in der Troposphäre entstehen, zunächst die Stratosphäre beeinflussen und die daraus resultierenden Veränderungen wiederum das Wetter in Bodennähe verändern können.

Die vertikale Struktur der Atmosphäre ist daher keine einfache Abfolge unabhängiger Schichten. Troposphäre, Stratosphäre und die oberen Atmosphärenschichten bilden durch Strahlung, Zirkulation und Wellenausbreitung ein dynamisch verbundenes System. Eine in einer Schicht erzeugte Störung kann sich vertikal ausbreiten, die Zirkulation einer anderen Schicht verändern und in der Folge über große Entfernungen und Zeiträume von Tagen oder Wochen Auswirkungen haben.

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