Die Mesosphäre

wo die Umwelt in den Weltraum übergeht ...

Die Mesosphäre (von griechisch μέση, méssi „Mitte“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre.

Sie ist zur Erde hin durch die Stratopause (in etwa 50 km Höhe) von der Stratosphäre und nach oben durch die Mesopause (Sommer: 80 bis 85 km Höhe, Winter: ca. 100 km Höhe) von der Thermosphäre abgegrenzt. Aufgrund der niedrigen Dichte sowie der Tatsache, dass kaum mehr Ozon vorhanden ist und sich die Absorption der energiereichen UV-Strahlung in der Stratosphäre abspielt, sinkt die Temperatur wieder von etwa 0 °C an der Stratopause mit jahreszeitlichen Schwankungen auf durchschnittlich etwa -90 °C in etwa 80 Kilometer Höhe. Die Temperaturabnahme ist mit rund 3 °C/km allerdings erheblich geringer als die in der Troposphäre. Eine wichtige Rolle für die Temperaturstruktur hat das Kohlendioxid durch die Abstrahlung von Infrarot-Strahlung in den Weltraum. An der Grenze zwischen der Mesosphäre und der Thermosphäre, der Mesopause, fallen die Temperaturen unter -100 ° C und variieren je nach Breitengrad und Jahreszeit.

Die Rolle der Mesosphäre

Als Übergangsregion zwischen unterer Atmosphäre und Weltraum reagiert die Mesosphäre besonders empfindlich auf externe Einflüsse der Sonne und auf Veränderungen in der unteren Atmosphäre. Die Mesophäre ist neben ihrer grundsätzlichen Bedeutung auch wichtig für die Bereiche Raumfahrt, Funkwellenausbreitung, Weltraumwetter und Aurora. Dynamik, Chemie und thermale Struktur können sich aufgrund von natürlichen und/oder anthropogenen Einflüssen sehr schnell ändern. In diesem Zusammenhang sind Atmosphärenwellen besonders wichtig, die sich -ausgehend von ihren Quellen in der Troposphäre und Stratosphäre- nach oben ausbreiten und so Energie und Impuls in die Mesosphäre transportieren. Ungefähr 1016 Joule werden so jeden Tag aus der unteren in die obere Atmosphäre transportiert. Das sind ca. 115 Gigawatt und entspricht etwa der Leistung von 100 Kernkraftwerken. Der Transport geschieht durch kleinskalige Schwerewellen, durch großskalige planetare Wellen und durch Gezeiten. Das entspricht in etwa dem täglichen Energieeintrag durch geomagnetische Stürme (im Mittel alle 5 Tage). Teilcheneinfall, Strahlung, Chemie und Dynamik sind auch der Antrieb der globalen Zirkulationssysteme in der Mesosphäre, die wiederum in troposphärische und stratosphärische Prozesse zurückkoppeln können und dadurch möglicherweise einen Einfluss auf langfristige Wettervorhersage und Klima haben. Die wichtigsten Kopplungsprozesse sind in der Abbildung zusammengefasst. In der Sommerhalbkugel wird die Luft nach oben transportiert, was zu einer adiabatischen Abkühlung führt. In der Winterhalbkugel wird die Luft nach unten transportiert, was zu einer adiabatischen Erwärmung führt. Auf der Sommerhalbkugel ist die Mesosphäre daher viel kälter als auf der Winterhalbkugel.

Unser momentanes Verständnis der Mesosphäre und der Kopplungsprozesse mit den darunter und darüber liegenden Teilen der Atmosphäre ist noch recht unvollständig. Messungen in der Mesosphäre sind schwierig, so dass es viele Jahre lang keine gute Datenbasis für Prozessstudien gab. Die wichtigsten offenen Fragen sind:

1. Wie groß sind die räumlichen und zeitliche Variationen in der Temperatur, in den Winden und in der chemischen Zusammensetzung und was verursacht sie?
2. Wie groß sind die Atmosphärenwellen und was sind ihre Quellen? Wie wechselwirken die verschiedenen Wellen miteinander und mit der Zirkulation?
3. Wie groß sind die relativen Beiträge von Strahlung, Chemie und Dynamik zur Energie- und Impulsbilanz?
4. Wie groß ist ein möglicher anthropogener Effekt, z.B. durch Klimaveränderungen?

Weit davon entfernt vollständig zu sein, haben diese Fragen in den letzten Jahren verstärkte Forschungsaktivitäten im Bereich der Mesosphäre ausgelöst. Numerische Modelle wurden entwickelt, die sich vom Erdboden bis in die Thermosphäre erstrecken. Bodengestützte Messgeräte wurden verbessert, z.B. tageslichtfähige Lidar-Systeme. Eine Reihe von Satelliten wurden entwickelt (NIMBUS-7, UARS, CRISTA) die Temperatur, Winde und chemische Spurenstoffe messen konnten bzw. messen (TIMED). Internationale wissenschaftliche Programme wie PSMOS (Planetary Scale Mesopause Observing System), CAWSES (Climate And Weather of the Sun-Earth System) und NDMC (Network for the Detection of Mesopause Change) haben wesentlich zur Verbesserung des Verständnisses der Mesosphäre beigetragen.

Mesopause

Die Mesopause, in einer Höhe von 80-90 km, trennt die Mesosphäre von der Thermosphäre. Die Höhe ist hierbei annähernd dieselbe wie die der Turbopause, unter welcher unterschiedliche chemische Spezies aufgrund turbulenter Wirbel gut durchmischt werden. Über dieser Höhe wird die Atmosphäre non-unform; die Skalenhöhen verschiedener chemischer Spezies unterscheiden sich in ihrem Molekulargewicht.

Mesosphärenphysik in Wuppertal

Unsere Arbeitsgruppe ist an einer Reihe dieser Aktivitäten beteiligt, teilweise sogar in führender Rolle. Dazu gehören die Messungen der Mesopausentemperatur vom Boden aus (GRIPS-Gerät), die Messungen des CRISTA-Satelliteninstruments und die Beteiligung am CAWSES-Projekt. Ein momentaner Schwerpunkt ist die Analyse von Atmosphärenwellen aus den Messdaten des TIMED-Satelliten.

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