Troposphäre

Definition und Bedeutung

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre und ein Teil der Homosphäre. Sie reicht vom Erdboden bis zum Beginn der Stratosphäre. Ihre obere Grenze heißt Tropopause.

Die Troposphäre ist an den Polen etwa 8 Kilometer dick, wobei ihre Höhe dort im Winter bis zu 2 Kilometer geringer ist als im Sommer. Am Äquator erreicht sie etwa 18 Kilometer. In ihr befinden sich ungefähr 90 Prozent der gesamten Luft und beinahe der gesamte Wasserdampf der Erdatmosphäre. Da sich fast alle wetterbestimmenden Vorgänge in dieser Schicht abspielen, wird sie auch Wetterschicht oder Advektionsschicht genannt.

Temperaturverlauf und Luftbewegung

Die Troposphäre wird nur zu einem kleinen Teil unmittelbar durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Der größte Teil der Sonnenenergie wird zunächst am Erdboden umgesetzt und anschließend an die Atmosphäre abgegeben. Deshalb ist die Luft normalerweise in Bodennähe am wärmsten.

Steigt Luft auf, dehnt sie sich aus und kühlt dabei ab. Im Durchschnitt sinkt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe um etwa 6,5 K pro Kilometer. Dieser Wert gehört zur Definition der Standardatmosphäre. Die Temperaturänderung mit der Höhe wird als vertikaler atmosphärischer Temperaturgradient bezeichnet.

In trockenadiabatischen Abschnitten, also bei aufsteigender oder absinkender Luft ohne Wärmeaustausch und ohne Kondensation von Wasserdampf, beträgt die durchschnittliche Temperaturabnahme 1 Grad je 100 Meter. Diese Rate wird DALR genannt. Im feucht-adiabatischen Bereich, in dem Wasserdampf kondensieren kann, beträgt die Abnahme etwa 0,6 Grad je 100 Meter; dafür steht die Bezeichnung SALR.

An der Tropopause liegt die Temperatur bei ungefähr −75 °C am Äquator und −45 °C an den Polen. Oberhalb bleibt sie zunächst gleich; dies heißt Isothermie. In der Stratosphäre steigt die Temperatur anschließend wieder an, was als Inversion bezeichnet wird. In 50 Kilometern Höhe beträgt sie wieder 0 °C.

Wetter und Tropopause

Warme Gase steigen innerhalb der Troposphäre auf, während kalte Gase absinken. Dadurch wird die Luft durchmischt, und Wetter kann entstehen. Der vorhandene Wasserdampf ermöglicht die Bildung von Wolken und Regen. Niederschläge reinigen die Troposphäre außerdem von gelösten Gasen und Feststoffen.

Die Tropopause begrenzt diese Durchmischung aufgrund der darüber einsetzenden Inversion. Zwischen Troposphäre und Stratosphäre findet deshalb nur ein geringer Luftaustausch statt. Die für das Wetter wichtigen Vorgänge bleiben damit weitgehend auf die Troposphäre beschränkt.

Schichten nahe der Erdoberfläche

Die Troposphäre wird nach der Stärke des Einflusses der Erdoberfläche und der Bodenreibung in mehrere Bereiche gegliedert:

• Die laminare Unterschicht umfasst die untersten Zentimeter. Wegen der starken Reibung tritt dort praktisch keine Luftbewegung auf. Sie ist besonders für mikroklimatische Fragestellungen wichtig.

• Die bodennahe Grenzschicht, auch Geiger-Schicht genannt, reicht ungefähr bis 2 Meter Höhe. In ihr nimmt die Windgeschwindigkeit nach oben kräftig zu. Besonders bei hohen Temperaturen fällt zugleich die Temperatur mit der Höhe deutlich ab. Diese Schicht ist der Lebensraum von Menschen, Tieren und größtenteils auch der Vegetation.

• Die bodennahe Luftschicht oder Prandtl-Schicht reicht ungefähr bis 50 Meter. Der Einfluss der Erdoberfläche bleibt bedeutend. Weil die Bodenreibung mit der Höhe nachlässt, steigt die Windgeschwindigkeit deutlich an. Ein Großteil der Vegetation ragt in diese Schicht hinein.

• Die planetarische Grenzschicht wird auch Reibungsschicht oder Peplosphäre genannt und reicht ungefähr 0,5 bis 2 Kilometer hoch. Der Reibungseinfluss zeigt sich vor allem darin, dass sich die Windrichtung mit der Höhe ändert und die Windgeschwindigkeit weiter zunimmt.

Freie Atmosphäre und alternative Einteilung

Oberhalb der planetarischen Grenzschicht liegt bis zur Tropopause die freie Schicht oder freie Atmosphäre. Sie ist im Wesentlichen frei von der Reibungswirkung des Reliefs. Ein Großteil des Flugstreckenverkehrs wird in dieser Schicht abgewickelt.

Nach einer anderen Definition reicht die planetarische Grenzschicht fast bis zum Boden. Sie wird dann in eine bodennahe innere Schicht und eine äußere Schicht unterteilt. Die innere Schicht ist die Prandtl-Schicht unterhalb von 50 Metern. Die äußere Schicht heißt Ekman-Schicht und liegt oberhalb von 50 Metern. Kennzeichnend für die Ekman-Schicht sind die Drehung der Windrichtung sowie die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, wie sie durch die Ekman-Spirale beschrieben werden.