Die Schichten werden über das vertikale Temperaturprofil definiert.
Für die thermische Gliederung interessiert uns vor allem das Vorzeichen des Temperaturgradienten dT/dz. Sinkt die Temperatur mit der Höhe, ist dT/dz negativ; steigt sie, ist dT/dz positiv.
Die unterste Schicht wird überwiegend von unten beheizt.
Die Troposphäre reicht von der Oberfläche bis zur Tropopause. Ihre Höhe beträgt typischerweise etwa 8 km in Polargebieten, ungefähr 10–12 km in mittleren Breiten und kann in den Tropen 16–18 km erreichen.
Im Mittel nimmt die Temperatur mit der Höhe ab. Die Oberfläche absorbiert einen großen Teil der solaren Energie und koppelt sie über Strahlung, fühlbare Wärme, Verdunstung und Konvektion an die Luft. Wetter und ein Großteil des atmosphärischen Wasserdampfs befinden sich in dieser Schicht.
Inversionen können lokal das Vorzeichen von dT/dz umkehren. Die Troposphäre ist also nicht dadurch definiert, dass die Temperatur an jedem Ort jederzeit streng fällt, sondern durch ihre großräumige thermische Struktur.
Ozon kehrt den Temperaturtrend um.
Oberhalb der Tropopause beginnt die Stratosphäre und reicht bis ungefähr 50 km. Hier nimmt die Temperatur nach oben wieder zu.
Der zentrale Mechanismus ist die Absorption ultravioletter Sonnenstrahlung durch Ozon. Dadurch wird Energie direkt in der Stratosphäre deponiert. Das Ergebnis ist eine temperaturstabile bzw. nach oben wärmer werdende Schichtung, die vertikale Konvektion wesentlich stärker hemmt als in der Troposphäre.
Die obere thermische Grenze der Stratosphäre liegt typischerweise um 50 km und markiert den Übergang vom stratosphärischen Temperaturanstieg zur erneuten Abnahme in der Mesosphäre.
Oberhalb der Stratopause sinkt die Temperatur erneut.
Die Mesosphäre erstreckt sich ungefähr von 50 bis 85 km. Mit abnehmender Bedeutung der Ozonheizung und effizienter radiativer Abkühlung fällt die Temperatur wieder mit der Höhe.
Die Mesopause um etwa 85 km gehört zu den kältesten Bereichen der Erdatmosphäre. Auch diese Grenzhöhe ist kein scharfes geometrisches Niveau.
Sehr hohe kinetische Temperatur bei extrem geringer Dichte.
Oberhalb der Mesopause beginnt die Thermosphäre. Hochenergetische solare EUV- und Röntgenstrahlung wird von den verbleibenden Teilchen absorbiert; die mittlere kinetische Energie der Teilchen und damit die thermodynamische Temperatur steigt stark.
Das darf nicht mit einem großen Wärmeinhalt verwechselt werden: Die Teilchendichte ist dort so gering, dass „sehr hohe Temperatur“ nicht dieselbe Alltagserfahrung bedeutet wie bei dichter Luft nahe der Oberfläche.
Grenzhöhen verändern, Schicht und Temperaturtrend direkt lesen.
Das Lab verwendet ein schematisches Temperaturprofil. Verändere die Tropopausen- und Mesopausenhöhe und fahre mit dem Höhenregler durch die Atmosphäre. Der numerische Temperaturwert wird bewusst nicht als Standardatmosphäre ausgegeben.
Besonders die Tropopause reagiert auf Breite, Jahreszeit und Wetterlage.
Die Tropopause liegt in kalter Polarluft deutlich tiefer als in den Tropen. Auch dynamische Prozesse können ihre Höhe lokal verändern. Deshalb sind Angaben wie „Troposphäre = 0–11 km“ nur nützliche Referenzwerte, keine universellen Naturgrenzen.
Stratopause und Mesopause variieren ebenfalls, wenn auch die für den Einstieg verwendeten Größenordnungen um 50 km beziehungsweise 85 km robust sind.
Drei wichtige Trennungen.
Nicht primär. Die thermische Schichtung wird durch das Temperaturprofil definiert; die Hauptgase sind in der unteren und mittleren Atmosphäre weitgehend durchmischt.
Nein. Typische Höhen reichen ungefähr von 8 km in Polargebieten bis 16–18 km in den Tropen.
Nein. Temperatur beschreibt mittlere kinetische Energie; die sehr geringe Teilchendichte begrenzt den Wärmeinhalt stark.
Die Atmosphäre besitzt eine vertikale thermische Architektur.
Thermische Schichten werden über den vertikalen Temperaturtrend definiert.
T fällt im großräumigen Mittel; die Tropopause ist räumlich variabel.
Ozonabsorption kehrt den Temperaturtrend um.
Oberhalb der Stratopause fällt T erneut bis zur Mesopause.
Hochenergetische Strahlung erhöht die kinetische Temperatur bei sehr geringer Dichte.
M1K9 formalisiert ein reproduzierbares Referenzprofil als Standardatmosphäre.
Cross-References
Wie wird aus der real variablen Atmosphäre ein reproduzierbares Referenzmodell mit definierten Temperaturgradienten, Druck- und Dichteprofilen?