Schwerpunkt

Wandelbare Atmosphäre

Der Klimawandel verursacht große Veränderungen in der mittleren Atmosphäre.

  • Franz-Josef Lübken, Martin Dameris und Markus Rapp
  • 07 / 2017 Seite: 37

Die Diskussion über den Klimawandel konzentriert sich meist auf unsere unmittelbare Umgebung, d. h. auf die Troposphäre als unterste Schicht der Atmosphäre. In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass anthropogene Aktivitäten auch die höher liegenden Schichten beeinflussen: Stratosphäre und Mesosphäre reagieren darauf deutlich stärker als die Tropo­sphäre. Das zeigt sich in einigen fundamentalen Zusammenhängen von Trends in der mittleren Atmosphäre in Höhen von zehn bis hundert Kilometern.

Der Treibhauseffekt beruht darauf, dass die Anzahldichten von Gasen wie Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) in der Troposphäre genügend groß sind. Diese im Infraroten aktiven Spurengase absorbieren z. B. vom Erdboden emittierte IR-Photonen größtenteils und re-emittieren sie wieder. Eine anthropogene Zunahme der Konzentrationen von Treibhausgasen, vor allem von CO2, führt damit zu einer Erwärmung der bodennahen Schichten von global etwa einem Grad in den letzten 120 Jahren, aber auch lokal zu einem Anstieg der Niederschläge, beispielsweise in Deutschland vor allem im Winter, sowie zu einer weltweiten Zunahme von Extremereignissen. Ein Teil der IR-Strahlung gelangt von der Troposphäre in obere Schichten („Strahlungstransfer“). Weil die Anzahldichten der Gase mit zunehmender Höhe exponentiell sinken, kann ein immer größerer Anteil der emittierten IR-Photonen die Erdatmosphäre verlassen, und die Atmosphäre kühlt ab („cooling to space“). ­Neben der IR-Strahlung beeinflussen viele weitere Prozesse die thermische Struktur der Atmosphäre.

Die Temperatur der Stratosphäre hängt wesentlich davon ab, dass hier die ultraviolette solare Strahlung durch Ozon absorbiert wird und die Atmosphäre aufheizt. Diese Aufheizung reicht grob von 30 bis 70 km Höhe und führt zum Temperaturmaximum bei etwa 50 km. In der mittleren Atmosphäre spielen aber auch dynamische Prozesse eine wichtige Rolle, was sich besonders deutlich in der oberen Mesosphäre in mittleren und polaren Breiten zeigt. Dort ist es im Sommer sehr viel kälter als im Winter. Tatsächlich sind die in diesem Höhenbereich gemessenen Temperaturen um bis zu 120 Grad niedriger, als es aufgrund eines strahlungsbestimmten Zustands zu erwarten wäre. Die obere Mesosphäre, in mittleren und hohen Breiten im Sommer bei ca. 90 km Höhe, ist mit rund 130 K die kälteste Region der gesamten Erdatmosphäre. Unter diesen Bedingungen können sich sogar Eisteilchen bilden („leuchtende Nachtwolken“, Abb. 1). Die niedrigen Temperaturen sind vor allem darauf zurückzuführen, dass Schwerewellen eine großräumige „residuelle“ Zirkulation induzieren, die in der Mesosphäre in mittleren und hohen Breiten im Sommer aus aufsteigenden Luftmassen besteht. Dies führt zu einer adiabatischen Abkühlung. Im Winter sorgen umgekehrt die absinkenden Luftmassen für eine Erwärmung. Bei den Schwerewellen handelt es sich um großräumige periodische Schwingungen in der Atmosphäre, die z. B. bei der Überströmung eines Gebirges angeregt werden. Die Dichte in einem Luftpaket, das nach oben steigt, ist im Allgemeinen kleiner als die Dichte der Umgebung. Dies führt zu einer Rückstellkraft, deren Stärke proportional zur Auslenkung ist, ähnlich wie bei einer Feder. Es kommt zu Schwingungen des Luftpakets um die Gleichgewichtslage und zu Wellen mit periodischen Schwankungen von Dichte, Temperatur, Druck und Winden [1]. Diese Schwerewellen haben typische Periodendauern von Minuten bis Stunden und vertikale bzw. horizontale Wellenlängen von etwa 2 bis 30 km bzw. 10 bis 1000 km. Aufgrund der abnehmenden Luftdichte wachsen die Amplituden dieser Wellen mit der Höhe exponentiell an. Schließlich brechen sie in höheren Schichten und deponieren dort Impuls und Energie, was entscheidend zur residuellen Zirkulation beiträgt. Schwerewellen sind Gegenstand aktueller Forschung. Wichtige physikalische Prozesse sind nicht ausreichend verstanden, z. B. ihre Erzeugung, Ausbreitung, Filterung und Brechung. Auch die nichtlineare Wechselwirkung dieser Wellen mit dem atmosphärischen Hintergrund sowie mit Gezeiten der Atmosphäre bzw. mit größerskaligen planetaren Wellen ist unklar. Eine wichtige Eigenschaft dieser Wellen ist es, weit entfernt liegende Höhenschichten miteinander koppeln zu können...

Share |
thumbnail image: Wandelbare Atmosphäre

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
10 / 2017

thumbnail image: PJ 10 2017

Anomalien von Wasser

Ursprung des Lebens

Fraunhofer-Linien

Phänomenta

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2017 deutsch / eng­lisch
2018 deutsch / englisch

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer