In der Stratosphäre befinden wir uns verglichen mit unserem bodennahen Lebensraum in einer Region mit völlig anderen Temperaturen, Druckverhältnissen (die Luft ist extrem dünn) und hoher Trockenheit. In diesem Kapitel vergleichen wir die Luftschichten und die Unterschiede zwischen ihnen. Hierbei blicken wir auch auf das bisher gelernte zurück.
| Lauter Sphären - ein Rückblick bei der Hausaufgabe |
Jenny und Birgit sitzen gerade über der Hausaufgabe, ein Aufsatz über die Atmosphäre.
Jenny mault: "Kannste mir mal sagen, weshalb wir diesen Unfug in der Schule machen?"
Birgit: "Ich glaube, wegen des Ozonloches."
Jenny: "Häh? Das ist doch in Australien."
Birgit: "Nee, ich glaube, eigentlich mehr über der Antarktis."
Jenny: "Dann sollen sie es doch den Pinguinen beibringen."
Birgit: "Die Australier bekommen aber auch Hautkrebs davon. Und bei uns über der Arktis soll die Ozonschicht auch dünner werden. Und ausserdem sind wir irgendwie an dem ganzen Mist Schuld. Ich habe aber nicht ganz verstanden warum."
Jenny: "Aha!"
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Die Atmosphäre
Die Erdatmosphäre läßt sich in verschiedene Luftschichten aufteilen. Die unterste Schicht (die Schicht, in der wir leben) heißt Troposphäre (trope, griechisch: Wendung; sphaira, griechisch: Kugel). Über die Troposphäre haben wir schon im Kapitel "Wasserdampf - ein Treibhausgas" berichtet. Gleich über der Troposphäre liegt die Stratosphäre. Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre heißt Tropopause und liegt, je nach Breitengrad, in etwa 8 bis 16 km Höhe. In der Nähe des Äquators ist sie hoch, während sie zu den Polen hin tiefer liegt. Die Stratosphäre erstreckt sich von der Tropopause bis in etwa 50 km Höhe. Die Temperatur in der Stratosphäre steigt mit der Höhe an, da die in der Stratosphäre liegende Ozonschicht Sonnenlicht absorbiert und sich dadurch erwärmt. Die Temperaturen in Tropopausenhöhe liegen bei etwa -50 bis -70 Grad C. Es wurden aber auch schon Temperaturen bis -90 Grad C gemessen, gerade über der Antarktis! In 50 km Höhe herrscht dagegen eine Temperatur nahe dem Gefrierpunkt von Wasser (0 °C) ....
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So etwa könnte Birgits Aufsatz über die Atmosphäre beginnen.
Jenny: "Wow! Ich bin beeindruckt ... . Aber sag mal, ich denk die Ozonschicht wär in der Antarktis."
Birgit: "Nee, die ist überall, so zwischen 15 und 35 km gibt es ziemlich viele Ozonmoleküle in der normalen Luft, rund um den Globus. In der Antarktis sind sie nur weniger geworden. Frag mich nicht wie."
[Eine Antwort auf die Frage nach dem wie wird Kapital 4 - Ozonabbau - liefern.]
Jenny: "Na, laß lieber weiter lesen ..."
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Da warme Luft "leichter" ist, d.h. eine geringere Dichte hat, als kalte Luft, ist die Stratosphäre ein sehr stabil geschichteter Bereich, woher auch der Name rührt ("stratos" kommt aus dem Griechischen und bedeutet "geschichtet"): Warme und leichte Luftschichten liegen über kalten und schweren Luftschichten. Diese stabile Schichtung hat auch zur Folge, daß der Austausch und Transport von Luft oder Schadstoffen zwischen der unteren, mittleren und oberen Stratosphäre mehrere Jahre in Anspruch nehmen kann.
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Jenny: "Hatten wir das auch schon?"
Birgit: "Weiss nicht, teilweise."
Jenny: "Sag bloss, den Rest hast du aus nem Buch?"
Birgit: "Nee, kam in einem Film über Polarwolken. Die Dinger sind echt witzig. So ganz hohe dünne Wolken, die manchmal in allen Farben schimmern. Ich hoffe, das machen wir auch noch."
Jenny: "Na, du würdest wahrscheinlich noch zum Nordpol fahren, um dir die Dinger anzugucken. Jedenfalls habe ich jetzt den Unterschied zwischen uns kapiert. Ich leb auf dem Boden in der Troposphäre und du schwebst auf stratosphärischen Wolken."
Birgit grinst.
Jenny: "Ich geh jetzt lieber zum Tennis. --- Ähm, kann ich's danach abschreiben?"
| Druck, Temperatur und Feuchte |
Wenn wir über die Atmosphäre reden, müssen wir in drei Dimensionen denken. Wir unterscheiden geographische Breiten vom Äquator (0°) bis zu den Polen (90° südlicher bzw. nördlicher Breite). In der Drehrichtung der Erde wandert die Sonne im Verlaufe eines Tages einmal über alle 360 Längengrade von Ost nach West. Dies sind die zwei Dimensionen der Erdoberfläche.
Dann freilich können wir auch noch den Blick in die Höhe richten, wo die einzelnen Luftschichten (Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre) übereinander liegen.
Wie hängen nun Druck, Temperatur und Feuchte von diesen drei Dimensionen ab?
Luftdruck
Am einfachsten ist es mit dem Luftdruck. Am Boden misst man etwa 1000 hPa (= 1 bar) Luftdruck. Früher wurden 1013 hPa auch als eine Atmosphäre [atm] bezeichnet. Mit der Höhe wird die Luft immer dünner, in 5,5 km Höhe hat sich der Luftdruck bereits halbiert. Der Druck nimmt exponentiell ab und in 100 km Höhe beträgt er unter 1 hPa (0,001 bar). In der Abbildung in schwarz ist auch die Druckabnahme mit der Höhe abgebildet. Bei 0 km, d.h. auf der Eroberfläche beginnt die Kurve mit 1 atm. [Achtung, die Skala ist logarithmisch, jeder eingezeichnete Strich bedeutet eine hundertfache Verringerung des Druckes!]
Temperatur
Weniger einfach verhält es sich mit der Temperatur. Natürlich ist es am Nordpol und in der Antarktis kälter als in den Tropen oder in der Wüste. Ganz grob gesehen nimmt also die Temperatur mit der geographischen Breite ab, da die Sonneneinstrahlung geringer ist.
Wie aber ist es mit der Höhe?
Diese Frage hatten wir schon im Eingangskapitel Luftschichten behandelt. In der Troposphäre fällt sie mit der Höhe, in der Stratosphäre steigt sie wieder, in der Mesosphäre fällt sie erneut, um in der Thermosphäre nochmals zu steigen, bevor sie [unten nicht mehr eingezeichnet] zum Weltraum hin endgültig abfällt. Der Grund liegt darin, dass jeweils unterschiedliche Moleküle die von der Sonne ausgesandten Strahlungsarten aufnehmen und in Wärmenergie umwandeln.
Ein wissenschaftlicheres Temperaturprofil zeigt die folgende Abbildung:
Abbildung: Temperaturverlauf in der
Atmosphäre
Bildquelle: IUP Bremen
Hier ist die Temperatur auch in Kelvin angegeben, der absoluten Temperatur.
(0 Kelvin = -273°C, 273 K = 0°C, 293 K = 20°C)
Wir sehen, dass der Temperaturverlauf von einem Wert von 288 K = 15°C am Boden ausgeht. Dies ist der weltweite Mittelwert. Am Nordpol wäre die Temperatur am Boden natürlich ebenso niedriger wie im Winter, in den Tropen ebenso höher wie im Sommer. Räumliche und zeitliche Schwankungen sind nicht eingezeichnet.
Am oberen Ende der Troposphäre werden ca. -60°C erreicht, in ca. 50km Höhe an der Obergrenze der Stratosphäre wieder die 0°C (273 K).
Feuchte
Die Feuchte ist ziemlich ungleichmässig über die Troposphäre verteilt. Wir wissen, dass es in den tropischen Regenwäldern um den Äquator sehr feucht ist. Weiter im Norden, bzw. im Süden (ca. 30° südl./nördl. Breite) liegen die grossen Wüsten. Dann aber wieder kommen feuchtere Zonen. In Abhängigkeit von den Ozeanen und Winden ändert sich auch die Feuchte mit den Längengraden. Im trockenen Zustand enthält die Troposphäre 78 Volumenprozent Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1 % Argon und andere Edelgase und 0,03 % Kohlendioxid. Der Wasserdampfgehalt ist wesentlich für das Wettergeschehen, er schwankt zwischen 4 % in feuchtheissen Gebieten und 0,2 % in Polnähe.
Dies gilt aber nur in Bodennähe. Beim Übergang von der Troposphäre in die Stratosphäre nimmt die Feuchte sehr stark ab. Schauen wir uns hierzu einen Ausschnitt des Diagramms oben an. Der rote Pfeil zeigt den Übergang von der Troposphäre in der Stratosphäre an. In der Stratosphäre ist die Abnahme mit der Höhe weniger ausgeprägt, ein Knick im Verlauf ist zu sehen. Aber hier ist auch schon fast keine Feuchte mehr in der Luft, denn auch hier ist die Skala logarithmisch und jeder Skalenstrich bedeutet eine Verringerung um Faktor 10.
| Bedeutung der Stratosphäre |
Die Troposphäre ist die Atmosphärenschicht, in der wir leben. Warum sollte uns also die Stratosphäre interessieren?
Die Bedeutung der Stratosphäre rührt vor allem daher, daß sie die inzwischen recht bekannt gewordene Ozonschicht beherbergt. Ozon absorbiert die für das Leben auf der Erde gefährliche UV Strahlung. Ca. 90% des in der Atmosphäre vorkommenden Ozons befinden sich in der Stratosphäre, vor allem in Höhen zwischen 15 und 35 km. Deshalb hat sich hierfür auch der Begriff "Ozonschicht" eingebürgert. In den Achtzigerjahren wurde das sogenannte Ozonloch entdeckt. Unter dem Begriff "Ozonloch" verstehen wir eine Ausdünnung dieser Ozonschicht unter einen bestimmten Wert. Dieser Wert wurde bisher nur über der Antarktis unterschritten, allerdings sehr regelmäßig (jedes Jahr im September und Oktober - im antarktischen Frühling) und in einem immer größeren Gebiet. In den letzten Jahren wurde das Ozonloch mehrmals über 20 Millionen Quadratkilometer groß, d.h. mehr als doppelt so groß wie Europa! Aufgrund chemischer Prozesse "erholt" sich das Ozon wieder gegen Ende das Jahres, um jedoch im darauffolgenden September erneut zu erscheinen. Die dafür verantwortlichen Prozesse werden in den nächsten Kapiteln erklärt.
In den letzten Jahren wurde auch eine Verringerung des Ozons über der Arktis beobachtet. Diese ist allerdings noch nicht so stark, daß man unter streng wissenschaftlichen Gesichtspunkten von einem "Ozonloch" sprechen kann (obwohl dieser Begriff von der Boulevardpresse auch in diesem Fall schon verwendet worden ist).
| Wasser in der Stratosphäre |
Aber was hat denn nun Wasser mit dem Ozon zu tun?
Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf aufzunehmen, hängt stark von der Temperatur ab. Je kälter die Luft, desto weniger Wasser kann sie aufnehmen. Dadurch läßt sich z.B. auch die Wolkenbildung in der Troposphäre erklären: Feuchte Luft steigt in höhere und kältere Regionen der Atmosphäre auf, und das Wasser kondensiert aus, d.h. es bilden sich Millionen kleiner Tröpfchen oder Eiskristalle, die dann für uns als Wolken sichtbar werden. Manchmal kommt es zu Niederschlägen in Form von Regen oder Schnee. Oft sinkt die Luft aber auch wieder in wärmere Schichten ab und das Wasser geht wieder zurück in seinen gasförmigen Zustand, also Wasserdampf.
Wie bereits erwähnt, ist es in der Tropopause extrem kalt. Luft in dieser Region kann deshalb nur sehr wenig Wasser aufnehmen. In der Regel hat Luft, die so hoch aufsteigt, auf ihrem Weg dorthin bereits fast alles Wasser durch Kondensation und Niederschläge verloren. Während in der unteren Troposphäre nahe der Erdoberfläche auf eine Million Luftmoleküle noch viele Tausend Wassermoleküle kommen, sind es in der Tropopause nur noch eine Handvoll! Um schließlich in die Stratosphäre zu gelangen, muß das Wasser, erst einmal durch die Tropopause nach oben steigen, was ihm wegen die Kälte nur sehr schwer gelingt. Im Englischen hat man dafür den treffenden Begriff "cold trap" - Kältefalle - entwickelt. Die über der Tropopause liegende Stratosphäre ist also extrem trocken. Zur Wolkenbildung kommt es in der Stratosphäre deshalb nicht, oder genauer gesagt: Fast nicht. In der Tat kann es in manchen Bereichen der Stratosphäre so kalt werden, daß auch das bißchen verbleibende Wasser Eiskristalle gebildet werden. Man spricht hier von PSC Wolken (Polar Stratospheric Clouds). PSC Wolken sind nicht unbedingt reine Eiskristalle (also nur gefrorenes Wasser), sondern bestehen oft aus Mischungen von Schwefelsäure, Salpetersäure und Wasser. Alle Arten von PSC Wolken haben aber eines gemeinsam: Sie enthalten Wasser und sie entstehen nur in hohen Breitengraden, also in der Nähe der Pole, wo die Kälte am extremsten ist. Nur in sehr seltenen Fällen sind sie auch schon in mittleren Breiten beobachtet worden.
Polare Stratosphärenwolken über Kiruna (Schweden)
Ihr Vorkommen beschränkt sich auch nur auf ein begrenztes Gebiet in der unteren Stratosphäre und auf die kalte Jahreszeit, da ihre Entstehung Temperaturen von fast -80 Grad C vorraussetzt. Auf solchen PSC Wolken, oder genauer gesagt, auf den Tröpfchen oder Kristallen, aus denen sie bestehen, können chemische Reaktionen stattfinden, die in der Luft nur sehr schwer oder gar nicht möglich wären. Eine solche Reaktion ist z.B. die von Chlornitrat mit Wasser, bei der Chlormoleküle freigesetzt werden. Gespaltene Chlormoleküle zerstören die Ozonschicht. Zur Spaltung aber benötigen sie Sonnenlicht. Während des antarktischen Winters, d.h. in den Monaten Mai bis August (kein Druckfehler, auf der Südhalbkugel sind die Jahreszeiten genau umgekehrt!), scheint in der Antarktis keine Sonne. Die PSC Wolken bilden aber kräftig Chlor. Wenn die Sonne dann schließlich im September über den antarktischen Horizont gelangt, schlägt das Chlor jedoch zu - das Ozonloch entsteht. Chlor ist der Hauptverursacher des über der Antarktis beobachteten Ozonlochs! Aber Wasser spielt in dieser Kette von physikalischen und chemischen Prozessen eine entscheidende Rolle.
Eine genauere Beschreibung der Prozesse finden wir im Kapitel 'Ozonabbau'.
Wo kommt das wenige Wasser der Stratosphäre genau her?
Hauptsächlich kommt es durch die Tropopause in niedrigen geographischen Breiten, d.h. in der Nähe des Äquators, wo das Aufsteigen von Luft und Feuchtigkeit aufgrund der Wärme am effektivsten ist. Die genauen Transportmechanismen, die das Passieren des Wassers durch die Tropaupause ermöglichen, sind auch unter den Wissenschaftlern noch umstritten, und wir wollen sie an dieser Stelle nicht im einzelnen durchgehen.
Eine andere, "chemische" Quelle für Wasser in der Stratosphäre ist der Abbau von Methan. Die chemischen Reaktionen sind sehr kompliziert. Wichtig ist jedoch, daß jedes Methanmolekül ca. zwei Wassermoleküle liefern kann, und das Mischungsverhältnis von Wasser in der Stratosphäre dadurch mit der Höhe leicht ansteigt.
Eine dritte, bislang jedoch noch vernachlässigbare Quelle sind Flugzeuge. Bei der Verbrennung eines Kilogramms Kerosin werden ca. 1.25 kg Wasser ausgestoßen. Der Luftverkehr hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen und wird dies vermutlich auch in den kommenden Jahrzehnten tun. Flugzeuge verkehren normalerweise nahe der Tropopause - entweder in der oberen Troposphäre oder der unteren Stratosphäre. Im letzteren Fall kann der Eintrag von Wasser wegen der allgemeinen Trockenheit der Stratosphäre sowie ihrer Stabilität von Bedeutung sein. Auch Kondenzstreifen sind Folgen des ausgestoßenen Wasserdampfs. Ihre Bedeutung für das Klima konnte bisher aber noch nicht mit Sicherheit bestimmt werden.
Schließlich können auch Vulkanausbrüche große Mengen von Wasser ausstoßen. Allerdings sind nur wenige von ihnen kraftvoll genug, um die Stratosphäre direkt zu beeinflussen.
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Wir fassen zusammen:
Im Vergleich zur Troposphäre und unseren bodennahen Luftschichten ist die Stratosphäre eine Region, in der die Luft sehr dünn ist. Der Luftdruck fällt mit der Höhe stark ab. Die Temperatur steigt wieder an durch die Absorption der Ozonschicht, aber die Luft ist extrem trocken. Nur bei enorm tiefen Temperaturen von etwa -80°C kann das verbliebene Restwasser zu polaren Stratosphärenwolken beitragen. Diese Wolken treten nur in der Nähe der Pole auf.
Dieses wenige Wasser passiert die 'Kältefalle' Tropopause z.B. in den Tropen oder entsteht durch die Methanoxidation. Je nach der weiteren Entwicklung des Luftverkehrs und der Flughöhe, könnten auch Flugzeuge eine wichtigere Quelle werden.
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