Stratosphäre

 

 

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Die Stratosphäre

Aufbau der Atmosphäre

Aufbau der Atmosphäre

Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre und Teil der sog. Homosphäre. Sie liegt über der Troposphäre und erstreckt sich von etwa 10 km bis 50 km Höhe über der Erdoberfläche. Der Grenzbereich zwischen Stratosphäre und Troposphäre ist die Tropopause. Diese liegt in einer Höhe zwischen ungefähr 8 km an den geographischen Polen und ca. 18 km am Äquator. Über der Stratosphäre schließt sich die Mesosphäre an. Die Grenze ist die Stratopause in etwa 50 km Höhe. Die Stratosphäre wurde - ebenso wie die Tropopause - im Jahr 1902 von dem französischen Meteorologen Léon-Philippe Teisserenc de Bort und dem Deutschen Richard Aßmann entdeckt.

Die Stratosphäre läßt sich unterteilen in

  • die untere Stratosphäre bis ca. 20 km Höhe mit etwa gleichbleibender Temperatur um - 56 °C (Isothermie) und
  • die obere Stratosphäre oberhalb 20 km Höhe, in der die Temperatur infolge der Strahlungsabsorption bis auf Werte von durchschnittlich 0 °C ansteigt.

Diese Temperaturzunahme mit der Höhe unterscheidet die Stratosphäre von den sie einschließenden Luftschichten. Verursacht wird dieser inverse Temperaturverlauf hauptsächlich durch das in der Stratosphäre befindliche Ozon, das die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert und dabei Strahlungsenergie in Wärme umwandelt. Durch die UV-Absorption steigt die Temperatur in der Stratosphäre mit der Höhe wieder an. Am stärksten ist die Aufheizung im Bereich der Ozonschicht, dort steigt die Temperatur von ca. - 60 °C bis auf knapp unter 0 °C an. Ein Temperaturabfall tritt niemals auf. Wegen dieses Temperaturanstiegs mit der Höhe finden hier Vertikalbewegungen der Luft nur begrenzt statt. Die Folge ist, dass die Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre, die Tropopause wie eine undurchdringliche Sperrschicht (Inversion) wirkt. Stoffeinträge werden dadurch stark gehemmt und verlangsamt.

Temperaturprofil

vertikales Temperaturprofil

Durch die darunterliegende Troposphäre bleibt die Stratosphäre von den Erwärmungs- und Abkühlprozessen der Erdoberfläche praktisch verschont. Ihre Temperatur richtet sich daher im wesentlichen nach der ein- und wieder abstrahlenden Energie, die in dieser Schicht dem Umfang nach gleich groß sind. Normalerweise ist die Stratosphäre also eine Schicht, in der sich bestenfalls minimale Temperaturunterschiede messen lassen. Allerdings ist in der Stratosphäre Ozon vorhanden, das auch als Filter für UV-Strahlen wirkt. Sobald aber Strahlung absorbiert wird, muß die von ihr übertragene Energie irgendwie umgewandelt werden, da sie nach dem Energieerhaltungssatz, einem der wichtigsten Sätze der Physik, nicht einfach verloren gehen kann. Sie wird daher in Wärme umgewandelt. Das Ozon "fängt" die Strahlungsenergie nicht dabei etwa ein, es wird vielmehr durch die Strahlung buchstäblich angestoßen, so daß sich die Moleküle sich schneller bewegen – die Temperatur steigt. Weil die höheren Schichten der Stratosphäre nahezu die gesamte einfallende Strahlung aufnehmen, kann in den tieferen Schichten der Stratosphäre aber nur noch das an Strahlung umgesetzt werden, was die höheren Schichten „übrig gelassen“ haben. Deshalb ist der Temperaturverlauf in der Stratosphäre nicht einheitlich, vielmehr steigt die Temperatur mit der Höhe.
Das zeigt das Temperaturprofil in der Abbildung links.

Perlmutterwolken

Polaren stratosphärische Wolke über Kiruna.
Das Auftreten dieser wegen ihres Aussehens auch Perlmuttwolken genannten Gebilde leitet den Ozonabbau in der arktischen Stratosphäre ein.
Foto: M. Rex, Alfred-Wegener-Institut

Die Stratosphäre ist nur in geringem Maße am Wettergeschehen beteiligt. Durch die niedrige Temperatur an der Tropopause kondensiert atmosphärischer Wasserdampf hier fast vollständig aus. Deswegen ist die Luft der Stratosphärte sehr trocken. Wolken bilden sich in der Stratosphäre für gewöhnlich nur unter den extrem kalten Bedingungen der Polarnacht ("Perlmuttwolken").

In der Stratosphäre herrschen wegen der fehlenden Vertikalbewegung der Luft im Vergleich zur turbulenten Troposphäre ruhige Verhältnisse vor. Sie wird u.a. deshalb gerne von den Verkehrsfliegern aufgesucht, da sie einen ruhigen Flug verspricht. Flugzeuge verkehren typischerweise in 10 - 12 Kilometern Höhe. Der zunehmende Flugverkehr führt daher zu höheren Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O), Stickoxiden (NOx), Schwefeloxiden (SOx) und Ruß in die obere Troposphäre und untere Stratosphäre. Da sie nur schlecht durch die Tropopause nach unten absinken können, verbleiben sie in der Stratosphäre und schädigen fortlaufend die Ozonschicht.

Die Ozonschicht

Ozon, d.h. zunächst einmal ein freies Sauerstoffatom, entsteht normalerweise durch sog. Dissoziation. Dabei löst sich von einem Molekül ein Bestandteil, also ein oder mehrere Atome. Dies geschieht in der Stratosphäre in der Regel durch das Auftreffen von ultravioletter Strahlung auf ein Sauerstoffmolekül, das normalerweise aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Die Trennung der beiden Sauerstoffatome erfolgt durch die Energie der UV-Strahlen, deren Energie sie in sich aufnehmen (absorbieren). Aus einem Sauerstoffmolekül O2 werden somit zwei freie Sauerstoffatome. Die freien Sauerstoffatome reagieren umgehend mit anderen Molekülen, in der Regel mit Sauerstoff- oder Stickstoffmolekülen (O2 bzw. N2). Bei dieser Anlagerung an ein Sauerstoffmolekül entsteht ein dreiatomiges Sauerstoffmolekül, eben Ozon (O3). So entsteht in einer Höhe von etwa 15 - 35 km ein weltumspannender feiner Ozonschleier, der, zusammengepresst auf den normalen Luftdruck von 1 bar eine Dicke von lediglich 3 mm hätte.

Im oberen Stockwerk der Stratosphäre spaltet also das energiereiche Sonnenlicht den Sauerstoff, so daß sich aus den Bruchstücken Ozon bilden kann. Zur Bildung des Ozons wird kurzwellige ultraviolette Strahlung, für den anschließenden Ozonabbau langwelligere UV-Strahlung absorbiert. Bei der Ozonbildung und -vernichtung wird also sowohl die lang- als auch die kurzwellige UV-Strahlung aufgenommen. Dadurch wird in der Ozonschicht die UV-Strahlung nahezu vollständig absorbiert. An die Erdoberfläche gelangen deshalb nur das sichtbare Licht, die infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) sowie andere langwelligere Strahlungen. Die Ozonschicht schützt auf diese Weise das Leben auf der Erde vor der schädlichen UV-Strahlung. Das ungefilterte Sonnenlicht würde sonst schon nach 10 Sekunden einen üblen Sonnenbrand verursachen.

Ozon ist für das Leben auf der Erde von immenser Bedeutung: Ein Ozonmolekül absorbiert Strahlen einer anderen Wellenlänge als ein einfaches Sauerstoffmolekül, nämlich die Strahlung im Bereich zwischen etwa 200 und 300 nm, die UV-Strahlung. Das Ozon sorgt damit dafür, daß nicht zu viele UV-Strahlen auf der Erdoberfläche ankommen können. Dies ist deshalb so wichtig, weil die Desoxyribonukleïnsäure, abgekürzt DNS oder DNA, welche die Erbinformationen in den Zellen aller Lebewesen auf der Erde trägt, Strahlung absorbiert, die eine Wellenlänge von höchstens 260 nm hat. Somit stellt das Ozon sicher, daß Strahlen, welche die Erbinformation gefährden können, nicht in wesentlichem Ausmaß in die Nähe der Lebewesen an der Erdoberfläche kommen können.

Umso gefährlicher sind daher Atome oder Moleküle, die den freien Sauerstoff zu anderen chemischen Reaktionen anregen, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid (NO), Chlor (Cl), Brom (Br), Wasserstoff (H) oder Hydroxid (OH). Diese Stoffe reagieren mit dem Ozon und bauen es ab. Weil dadurch weniger ozon vorhanden ist, können mehr UV-Strahlen die Erdatmosphäre durchdringen, was die Erbinformationen schädigen kann. Der menschliche Körper wird wie jeder lebende Organismus zwar ständig durch Zellteilungen erneuert. Ist dabei aber die Erbinformation bereits verändert, kann es zu Fehlentwicklungen bis hin zu Mißbildungen oder Wucherungen (Krebs) kommen. Veränderungen der Erbinformation können also nicht nur unseren Nachwuchs gefährden, sondern schon unser eigenes persönliches Leben.

Ozonloch

Das "Ozonloch" am Südpol

Die sich an die Stratosphäre anschließenden Schichten Mesosphäre und Thermosphäre haben für die Luftreinhaltung keine wesentliche Bedeutung. In die Atmosphäre entlassene Schadstoffe anthropogenen oder natürlichen Ursprungs verteilen sich vorwiegend in der Troposphäre, werden dort umgewandelt, abgebaut oder schlagen sich am Boden oder auf Pflanzen nieder (Deposition). Nur wenige besonders langlebige, stabile und reaktionsträge Luftverunreinigungen, wie zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), bleiben lange genug in der Troposphäre, um allmählich die Sperrschicht zur Stratosphäre überwinden zu können. Dort werden sie durch die energiereiche UV-Strahlung gespalten. Die Spaltprodukte können das stratosphärische Ozongleichgewicht stören, das Ozon abbauen und dadurch die schützende Ozonschicht zerstören. Das meiste Ozon befindet sich zwischen etwa 15 und 35 km Höhe in der sogenannten Ozonschicht mit hohen Konzentrationen von Ozon, darüber und darunter gibt es vergleichsweise wenig Ozon. Durch die vom Menschen verursachte Umweltverschmutzung wurde die Ozonschicht in den letzten Jahren geschädigt und am Südpol teilweise zerstört.

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