Stratosphäre

Das Space Shuttle Endeavour scheint sich auf diesem Foto von 2010 zwischen Stratosphäre und Mesosphäre zu bewegen. "Die orangefarbene Schicht ist die Troposphäre, in der das gesamte Wetter und alle Wolken entstehen und enthalten sind. Diese orangefarbene Schicht geht in die weißliche Stratosphäre und dann in die Mesosphäre über." (Das Shuttle befindet sich in einer Höhe von mehr als 320 km, also weit über dieser Übergangsschicht). ⓘ

Dieses Bild zeigt den Temperaturverlauf in der unteren Stratosphäre, wie er von einer Reihe von satellitengestützten Instrumenten zwischen Januar 1979 und Dezember 2005 gemessen wurde. Die untere Stratosphäre befindet sich in etwa 18 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche. Das Bild der Stratosphäre wird von blauen und grünen Farbtönen dominiert, was auf eine Abkühlung im Laufe der Zeit hindeutet. ⓘ

Das Diagramm zeigt die fünf Hauptschichten der Erdatmosphäre: Exosphäre, Thermosphäre, Mesosphäre, Stratosphäre und Troposphäre. Die Schichten sind maßstabsgetreu dargestellt. Die Entfernung von der Erdoberfläche bis zum oberen Ende der Stratosphäre (50 km) beträgt nur knapp 1 % des Erdradius. ⓘ

Die Stratosphäre (/ˈstrætəˌsfɪər, -toʊ-/) ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre, die sich oberhalb der Troposphäre und unterhalb der Mesosphäre befindet. Die Stratosphäre ist eine atmosphärische Schicht, die sich aus geschichteten Temperaturschichten zusammensetzt, wobei die warmen Luftschichten hoch am Himmel und die kühlen Luftschichten am unteren Himmel, in der Nähe der Planetenoberfläche der Erde, liegen. Der Temperaturanstieg mit der Höhe ist auf die Absorption der ultravioletten (UV-)Strahlung der Sonne durch die Ozonschicht zurückzuführen. Die Temperaturinversion steht im Gegensatz zur Troposphäre in der Nähe der Erdoberfläche, wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt. ⓘ

Zwischen Troposphäre und Stratosphäre befindet sich die Tropopausengrenze, die den Beginn der Temperaturinversion abgrenzt. In Äquatornähe ist der untere Rand der Stratosphäre bis zu 20 km hoch, in mittleren Breiten etwa 10 km, und an den Polen etwa 7 km. Die Temperaturen reichen von durchschnittlich -51 °C (-60 °F; 220 K) in der Nähe der Tropopause bis zu durchschnittlich -15 °C (5,0 °F; 260 K) in der Mesosphäre. Die Stratosphärentemperaturen schwanken auch innerhalb der Stratosphäre im Wechsel der Jahreszeiten und erreichen in der Polarnacht (Winter) besonders niedrige Temperaturen. Die Winde in der Stratosphäre können die Winde in der Troposphäre bei weitem übertreffen und im Südpolarwirbel bis zu 60 m/s (220 km/h; 130 mph) erreichen. ⓘ

Aufbau der Erdatmosphäre ⓘ

Die Stratosphäre (Aussprache [ʃtrato…] oder [strato…]; von lateinisch strātum, „Decke“ und altgriechisch σφαῖρα sphaîra, „Kugel“) ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Troposphäre und ist Teil der Homosphäre. ⓘ

Der Grenzbereich zwischen Stratosphäre und Troposphäre wird als Tropopause bezeichnet. Diese liegt in einer Höhe zwischen ungefähr 8 Kilometern an den geografischen Polen und circa 18 km am Äquator. ⓘ

Über der Stratosphäre schließt sich die Mesosphäre an. Die Grenze ist die Stratopause in etwa 50 km Höhe. ⓘ

Ozonschicht

Der Mechanismus, der die Bildung der Ozonschicht beschreibt, wurde 1930 von dem britischen Mathematiker Sydney Chapman beschrieben. Molekularer Sauerstoff absorbiert energiereiches Sonnenlicht im UV-C-Bereich bei Wellenlängen von weniger als 240 nm. Die aus den homolytisch gespaltenen Sauerstoffmolekülen entstehenden Radikale verbinden sich mit molekularem Sauerstoff und bilden Ozon. Ozon wiederum wird viel schneller photolysiert als molekularer Sauerstoff, da es eine stärkere Absorption aufweist, die bei längeren Wellenlängen auftritt, wo die Sonnenstrahlung intensiver ist. Bei der Photolyse von Ozon (O₃) entstehen O und O₂. Das Produkt der Sauerstoffatome verbindet sich mit dem molekularen Luftsauerstoff und bildet O₃, wobei Wärme freigesetzt wird. Die rasche Photolyse und Neuformierung von Ozon heizen die Stratosphäre auf, was zu einer Temperaturinversion führt. Dieser Temperaturanstieg mit der Höhe ist charakteristisch für die Stratosphäre, die aufgrund ihres Widerstands gegen vertikale Durchmischung geschichtet ist. Innerhalb der Stratosphäre nehmen die Temperaturen mit der Höhe zu (siehe Temperaturinversion); der obere Teil der Stratosphäre hat eine Temperatur von etwa 270 K (-3°C oder 26,6°F). ⓘ

Diese vertikale Schichtung mit wärmeren Schichten oben und kühleren Schichten unten macht die Stratosphäre dynamisch stabil: In diesem Teil der Atmosphäre gibt es keine regelmäßige Konvektion und damit verbundene Turbulenz. Außergewöhnlich energiereiche Konvektionsprozesse, wie z. B. Vulkanausbruchssäulen und überschießende Spitzen in schweren Superzellengewittern, können jedoch sehr lokal und vorübergehend Konvektion in die Stratosphäre tragen. Insgesamt ermöglicht die Abschwächung der UV-Strahlung der Sonne bei Wellenlängen, die die DNA schädigen, durch die Ozonschicht die Existenz von Leben auf der Oberfläche des Planeten außerhalb der Ozeane. Alle Luft, die in die Stratosphäre gelangt, muss die Tropopause passieren, das Temperaturminimum, das die Troposphäre von der Stratosphäre trennt. Die aufsteigende Luft ist buchstäblich gefriergetrocknet; die Stratosphäre ist ein sehr trockener Ort. Der obere Teil der Stratosphäre wird als Stratopause bezeichnet, über der die Temperatur mit der Höhe abnimmt. ⓘ

Entstehung

Sydney Chapman beschrieb die Quelle des stratosphärischen Ozons und seine Fähigkeit, in der Stratosphäre Wärme zu erzeugen, korrekt; er schrieb auch, dass Ozon durch Reaktion mit atomarem Sauerstoff zerstört werden kann, wobei zwei Moleküle molekularer Sauerstoff entstehen. Heute wissen wir, dass es weitere Mechanismen des Ozonabbaus gibt und dass diese Mechanismen katalytisch sind, was bedeutet, dass eine kleine Menge des Katalysators eine große Anzahl von Ozonmolekülen zerstören kann. Der erste Mechanismus ist auf die Reaktion von Hydroxylradikalen (-OH) mit Ozon zurückzuführen. -OH entsteht durch die Reaktion elektrisch angeregter Sauerstoffatome, die bei der Photolyse von Ozon entstehen, mit Wasserdampf. Während die Stratosphäre trocken ist, wird zusätzlicher Wasserdampf in situ durch die photochemische Oxidation von Methan (CH₄) erzeugt. Das HO₂-Radikal, das durch die Reaktion von OH mit O₃ entsteht, wird durch die Reaktion mit Sauerstoffatomen oder Ozon zu OH zurückgeführt. Darüber hinaus können solare Protonenereignisse den Ozongehalt durch Radiolyse mit anschließender Bildung von OH erheblich beeinflussen. Distickstoffoxid (N₂O) wird durch biologische Aktivitäten an der Oberfläche erzeugt und in der Stratosphäre zu NO oxidiert; die so genannten NOx-Radikalzyklen führen ebenfalls zu einem Abbau des stratosphärischen Ozons. Schließlich werden Fluorchlorkohlenwasserstoffmoleküle in der Stratosphäre photolysiert, wobei Chloratome freigesetzt werden, die mit Ozon zu ClO und O₂ reagieren. Die Chloratome werden recycelt, wenn ClO mit O in der oberen Stratosphäre reagiert oder wenn ClO mit sich selbst in der Chemie des antarktischen Ozonlochs reagiert. ⓘ

Paul J. Crutzen, Mario J. Molina und F. Sherwood Rowland erhielten 1995 den Nobelpreis für Chemie für ihre Arbeit zur Beschreibung der Bildung und des Abbaus von stratosphärischem Ozon. ⓘ

Flugzeuge

Flugzeuge fliegen in der Regel in der Stratosphäre, um die in der Troposphäre herrschenden Turbulenzen zu vermeiden. Der blaue Strahl in diesem Bild ist die Ozonschicht, die weiter in die Mesosphäre strahlt. Das Ozon erwärmt die Stratosphäre und sorgt für stabile Bedingungen. Die Stratosphäre ist auch die Höhengrenze für Jets und Wetterballons, da die Luft dort etwa tausendmal dünner ist als in der Troposphäre. ⓘ

Verkehrsflugzeuge fliegen in der Regel in einer Höhe von 9-12 km (30.000-39.000 ft), also in den unteren Bereichen der Stratosphäre in gemäßigten Breiten. Dadurch wird die Treibstoffeffizienz optimiert, vor allem aufgrund der niedrigen Temperaturen in der Nähe der Tropopause und der geringen Luftdichte, die den parasitären Widerstand an der Flugzeugzelle reduziert. Anders ausgedrückt: Das Flugzeug kann schneller fliegen und dabei einen Auftrieb beibehalten, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht. (Der Treibstoffverbrauch hängt vom Luftwiderstand ab, der durch das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand mit dem Auftrieb verbunden ist.) Außerdem kann das Flugzeug so über dem turbulenten Wetter in der Troposphäre bleiben. ⓘ

Die Concorde flog mit Mach 2 in einer Höhe von etwa 18 km (60.000 Fuß), die SR-71 mit Mach 3 in 26 km (85.000 Fuß), und das alles in der Stratosphäre. ⓘ

Da die Temperatur in der Tropopause und der unteren Stratosphäre mit zunehmender Höhe weitgehend konstant ist, treten dort nur sehr wenig Konvektion und die daraus resultierenden Turbulenzen auf. Die meisten Turbulenzen in dieser Höhe werden durch Schwankungen des Jetstreams und andere lokale Scherwinde verursacht, obwohl Gebiete mit erheblicher konvektiver Aktivität (Gewitter) in der darunter liegenden Troposphäre infolge konvektiver Überschreitung Turbulenzen erzeugen können. ⓘ

Am 24. Oktober 2014 stellte Alan Eustace mit einer Höhe von 41.419 m (135.890 ft) den Höhenrekord für einen bemannten Ballon auf. Eustace brach auch den Weltrekord für Fallschirmspringen mit vertikaler Geschwindigkeit, die er mit einer Spitzengeschwindigkeit von 1.321 km/h (822 mph) und einer Gesamtfreifallstrecke von 37.617 m (123.414 ft) erreichte - in vier Minuten und 27 Sekunden. ⓘ

Zirkulation und Vermischung

Die Stratosphäre ist eine Region intensiver Wechselwirkungen zwischen Strahlung, Dynamik und chemischen Prozessen, in der die horizontale Durchmischung gasförmiger Komponenten viel schneller abläuft als die vertikale Durchmischung. Die Gesamtzirkulation der Stratosphäre wird als Brewer-Dobson-Zirkulation bezeichnet, eine einzellige Zirkulation, die sich von den Tropen bis zu den Polen erstreckt und aus dem tropischen Auftrieb von Luft aus der tropischen Troposphäre und dem außertropischen Abtrieb von Luft besteht. Die Stratosphärenzirkulation ist eine überwiegend wellengetriebene Zirkulation, da der tropische Auftrieb durch die Wellenkraft der sich westwärts ausbreitenden Rossby-Wellen ausgelöst wird, ein Phänomen, das Rossby-Wellen-Pumpen genannt wird. ⓘ

Ein interessantes Merkmal der stratosphärischen Zirkulation ist die quasi-bienniale Oszillation (QBO) in den tropischen Breiten, die durch Schwerewellen angetrieben wird, die in der Troposphäre konvektiv erzeugt werden. Die QBO induziert eine sekundäre Zirkulation, die für den globalen stratosphärischen Transport von Tracern wie Ozon oder Wasserdampf wichtig ist. ⓘ

Ein weiteres großräumiges Merkmal, das die stratosphärische Zirkulation erheblich beeinflusst, sind die sich brechenden planetarischen Wellen, die zu einer intensiven quasi-horizontalen Durchmischung in den mittleren Breiten führen. Diese Brechung ist auf der Winterhalbkugel viel ausgeprägter, wo diese Region als Brandungszone bezeichnet wird. Die Brechung wird durch eine hochgradig nichtlineare Wechselwirkung zwischen den sich vertikal ausbreitenden planetarischen Wellen und der isolierten Region mit hoher potentieller Wirbelstärke, dem Polarwirbel, verursacht. Das daraus resultierende Brechen führt zu einer großräumigen Vermischung von Luft und anderen Spurengasen in der gesamten Brandungszone der mittleren Breiten. Die Zeitskala dieser raschen Durchmischung ist viel kleiner als die viel langsameren Zeitskalen des Auftriebs in den Tropen und des Austriebs in den Extratropen. ⓘ

In den Wintern der nördlichen Hemisphäre kann in etwa der Hälfte der Winter eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre beobachtet werden, die durch die Absorption von Rossby-Wellen in der Stratosphäre verursacht wird, wenn sich in der Stratosphäre Ostwinde entwickeln. Diese Ereignisse gehen häufig ungewöhnlichem Winterwetter voraus und könnten sogar für die kalten europäischen Winter der 1960er Jahre verantwortlich sein. ⓘ

Die Erwärmung des Polarwirbels in der Stratosphäre führt zu seiner Abschwächung. Wenn der Wirbel stark ist, hält er die kalten Hochdruckluftmassen in der Arktis fest; wenn er sich abschwächt, bewegen sich die Luftmassen äquatorwärts, was zu raschen Wetterumschwüngen in den mittleren Breitengraden führt. ⓘ

Leben

Bakterien

In der Stratosphäre überlebt bakterielles Leben, was sie zu einem Teil der Biosphäre macht. Im Jahr 2001 wurde bei einem Höhenballonexperiment in 41 Kilometern Höhe Staub gesammelt, der bei einer späteren Untersuchung im Labor bakterielles Material enthielt. ⓘ

Vögel

Von einigen Vogelarten wurde berichtet, dass sie in den oberen Schichten der Troposphäre fliegen. Am 29. November 1973 wurde ein Rüppellgeier (Gyps rueppelli) in 11 278 m Höhe über der Elfenbeinküste in ein Düsentriebwerk eingesaugt, und Ringelgänse (Anser indicus) überfliegen Berichten zufolge den Gipfel des Mount Everest, der 8 8 848 m hoch ist. ⓘ

Entdeckung

Im Jahr 1902 veröffentlichten Léon Teisserenc de Bort aus Frankreich und Richard Assmann aus Deutschland in getrennten, aber koordinierten Veröffentlichungen und nach jahrelangen Beobachtungen die Entdeckung einer isothermen Schicht in etwa 11-14 km Höhe, die die Basis der unteren Stratosphäre bildet. Diese Entdeckung basierte auf Temperaturprofilen von meist unbemannten und einigen wenigen bemannten Ballons mit Instrumenten. ⓘ

Erforschung

Das Vorhandensein einer Temperaturinversion und damit der Stratosphäre wurde – ebenso wie die Tropopause – im Jahr 1902 von dem französischen Meteorologen Léon-Philippe Teisserenc de Bort und dem Deutschen Richard Aßmann veröffentlicht. 1931 stieg Auguste Piccard als erster Menschen mit einem Ballon in einer Kapsel mit Druckausgleich auf etwa 15.800 Meter. Der bemannte russische Stratosphärenballon CCCP-1 (UdSSR-1) stieg 1934 auf über 19.000 Meter. ⓘ

Heutzutage wird sie mit Forschungsflugzeugen wie der Mjassischtschew M-55 „Geophysika“ oder der „ER-2“-Spezialausführung der Lockheed U-2 untersucht. Seit Ende Juli 2010 fliegt auch das in Oberpfaffenhofen stationierte HALO, eine Entwicklung auf Basis der Gulfstream G550, wissenschaftliche Flüge. ⓘ

2010 wurde auch das Cranfield Astrobiological Stratospheric Sampling Experiment (CASS-E) gestartet, das mit einer Ballonsonde Proben aus der Stratosphäre sammelt, die dann nach möglicherweise existierenden extraterrestrischen Mikroorganismen untersucht werden. ⓘ

Stratosphäre im weiteren Sinne

Entsprechend der Strahlungstransportgleichung ist die äußere Schicht jeder Gashülle (Sonne, Venus, Erde, Mars) eine Stratosphäre im weiteren Sinne, die in weitere Stockwerke unterteilt werden kann. Diesen Stockwerkaufbau von Atmosphären erkannte 1906 schon Karl Schwarzschild. ⓘ