Die Troposphäre

unser Lebensraum ...

Im Bild des „Stockwerkaufbaus“ der Atmosphäre entspricht die Troposphäre dem Erdgeschoss, unserem Lebensraum. Sie umfasst etwa 90% der gesamten Atmosphärenmasse.

Die Erdoberfläche beeinflusst die erdbodennahe Schicht der Troposphäre. Neben Reibung laufen in dieser Schicht wichtige physikalische Prozesse ab, die für die Gesamtatmosphäre bedeutend sind, weshalb sie als atmosphärische oder planetare Grenzschicht bezeichnet wird. Der gesamte Energieaustausch zwischen Erdboden und Atmosphäre findet hier statt.

Die von der Erde durch Absorption von Sonnenstrahlung gespeicherte Wärme geht in die mit ihr in Berührung stehenden Luft über. Mittels Turbulenz und Konvektion wird sie relativ schnell auf die unteren und später in die höheren Atmosphärenschichten übertragen. Die Luft wird durchmischt. Die Verteilung des Wasserdampfs sowie die Ausbreitung von Staub und anderen Verunreinigungen geschieht entsprechend. Diesem Vorhandensein von ständigen vertikalen sowie horizontalen Umwälzungen und Austauschprozessen verdankt die Troposphäre ihren Namen (von griechisch τροπή, tropé „Wendung, Kehre“ und σφαίρα, sfaira „Kugel“).

Infolge der Luftdurchmischung ist die Troposphäre durch eine mittlere Temperaturabnahme mit der Höhe von 6.5 K/km gekennzeichnet. Die Höhe der Troposphäre schwankt infolge der unterschiedlichen Aufheizung der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Je stärker die Aufheizung, um so mächtiger ist die Troposphäre. Indirekt bestimmt der Sonnenstand die mittlere Temperatur und Höhe dieses Stockwerks. So erreicht die Troposphäre eine mittlere Höhe von 7-9 km an den Polen (mit einer mittleren Temperatur an der Obergrenze von -50°C ) und 16-17 km am Äquator (-80°C an der Obergrenze). Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter sorgen für eine um etwa 2 km tiefer liegende Obergrenze der Troposphäre (die als Tropopause bezeichnet wird) im Winter.

Die Tropopausenregion reagiert auf jegliche Emissionen sehr empfindlich. Viele Spurengase entfalten hier ihre größte Klimawirksamkeit. Die Tropopause ist jedoch keine undurchlässige und einheitliche Fläche. Vielmehr weist sie mitunter deutliche Sprünge, gelegentlich auch komplizierte Strukturen auf, die besonders im Bereich der Starkwindbänder (Polarjet, Subtropenjet) auftreten. Um eine einheitliche Festlegung der Tropopause hat sich die Weltorganisation der Meteorologie bemüht. Die Tropopause ist diejenige Höhe mit einem Druck geringer als 500 hPa, ab der die vertikale Temperaturabnahme auf ≤2 K/km zurückgeht und dieser Wert in den folgenden 2 km nicht überschritten wird. Liegt jedoch oberhalb einer bestimmten ersten Tropopause innerhalb eines Höhenbereichs von 1 km nochmals ein Temperaturrückgang von mehr als 3 K vor, so wird eine zweite Tropopause festgelegt, sobald das oben angeführte Kriterium erfüllt ist.

Im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die Troposphäre nahezu den gesamten Wasserdampf (das wichtigste Treibhausgas) der Erdatmosphäre enthält, spielen sich alle Wetterphänomene, die mit dem Wasserdampf in Verbindung stehen, hier ab. Wolken- und Niederschlagsbildung reinigen Troposphäre von wasserlöslichen Gasen und Feststoffen.

Der Wasserdampf nimmt vom Erdboden mit zunehmender Höhe rasch ab. Am Boden wird einfallende Strahlungsenergie nach einer kurzen Wegstrecke absorbiert und wieder emittiert. Mit abnehmender Wasserdampfkonzentration steigt die mittlere freie Weglänge, so dass die Absorptionslängen so groß werden, dass die Energie in Richtung Weltraum abgestrahlt werden kann. In dieser Höhe (i.e. etwa Tropopausenhöhe) befindet sich das Maximum der Strahlungsabkühlung. Dies führt zu einer Wärmesenke der "Wasserdampfsphäre".

Die Troposphäre kann weiterhin als photochemischer Reaktor angesehen werden, der enorme Mengen von Spurenstoffen prozessiert. Die Konzentrationen, die räumlichen Verteilungen und die zeitlichen Entwicklungen der Spurenstoffe hängen von einem sensitiven Gleichgewicht zwischen Emissionen, atmosphärischem Transport, chemischer Selbstreinigung sowie feuchter und trockener Deposition ab.

Ein weiteres typisches Merkmal der Troposphäre ist eine im Mittel vorhandene Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, die ihr Maximum nahe der Tropopause findet. Hier befinden sich die angesprochenen Starkwindbänder, die gerne vom Flugverkehr benutzt werden.

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