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Sphärisch

8. Juli 2020, 9 Kommentare
Themen: Wetter

Wir gehen heute nur kurz auf das aktuelle Wettergeschehen in der Schweiz ein. Vielmehr befassen wir uns mit unserer Atmosphäre, die einiges zu bieten hat.

Blick vom Chüealphorn zum Piz Kesch (rechts) und zur Bernina-Gruppe (links im Hintergrund). Dank sehr trockener Luft war die Fernsicht auf den Bergen sehr gut. Foto: T. Schlegel
Blick vom Chüealphorn zum Piz Kesch (rechts) und zur Bernina-Gruppe (links im Hintergrund). Dank sehr trockener Luft war die Fernsicht auf den Bergen sehr gut. Foto: T. Schlegel

Wetter heute

Die Schweiz befand sich heute im Einflussbereich eines Ausläufers des Azorenhochs. Fast im ganzen Land sorgte trockene Luft für sonniges Wetter. Einzig auf der Alpensüdseite begann der Tag mit ausgedehnter tiefer Bewölkung, die sich allerdings im Laufe des Vormittags zunehmend auflockerte. Die nachfolgenden Quellwolken blieben flach und harmlos.

Von Südengland über Benelux und der Mitte Deutschlands bis Polen und weiter ostwärts erstreckte sich eine Luftmassengrenze, die in den besagten Gebieten für bewölktes Wetter sorgte mit gebietsweise etwas Niederschlag. Diese Störung war mehr oder weniger parallel zur vorherrschenden (westlichen bis nordwestlichen) Strömung eingelagert. Damit bewegte sie sich tagsüber nur wenig vom Fleck. Lediglich in der Höhe wurde vor allem in der zweiten Tageshälfte etwas feuchtere Luft in Richtung Alpen abgeschwemmt. Dies zeigte sich in Form von einigen Cirren.

Aufgrund der stabilen Schichtung und der trockenen Luft bildeten sich über den Bergen nur wenige flache Quellwolken, sodass in vielen Regionen die Sonneneinstrahlung nicht wirklich eingeschränkt wurde. Die Luftmasse war gegenüber dem Vortag etwa 3 bis 4 Grad wärmer. Dies widerspiegelte sich natürlich auch in den Temperaturmaxima des heutigen Tages. Nach einer auf der Alpennordseite angenehm kühlen Nacht (Minima meist zwischen 8 und 12 Grad) wurde es mit maximal 25 bis 28 entsprechend 3 bis 4 Grad wärmer als am Vortag. Im Süden war die Nacht mit minimal etwa 19 Grad deutlich milder. Hier verhinderte die tiefe Bewölkung eine stärkere Abkühlung.

Wechseln wir nun aber das Thema. Ab jetzt wirds sphärisch.

Aufbau der Atmosphäre

In den letzten Tagen haben Sie an dieser Stelle, im Zusammenhang mit den «Leuchtenden Nachtwolken», ein paar Mal etwas von der Mesopause bzw. von der Mesosphäre gelesen, einer Schicht unserer Erdatmosphäre. Heute wollen wir uns mal den gesamten Aufbau der Erdatmosphäre etwas genauer ansehen.

Beginnen wir zuunterst:

Troposphäre – die Wetterschicht

Die Troposphäre ist uns allen bestens bekannt. Es ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre, in welcher das Wetter stattfindet. Sie erstreckt sich bis auf eine Höhe von etwa 8 (an den Erdpolen) bis ca. 17 km (am Äquator). In ihr befindet sich rund 80 bis 90 % der gesamten Luftmasse und nahezu der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre.

Die Luft setzt sich aus rund 78 % Stickstoff, knapp 21 % Sauerstoff und 1 % Argon zusammen. Diese chemische Zusammensetzung ändert sich im Übrigen bis rund 100 km Höhe nicht. Der Rest der Luft machen Spurenelemente wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Neon, Helium und weitere chemische Elemente aus. Diese sind allerdings lebenswichtig. Denn sie absorbieren zum Teil die kurzwellige Sonnenstrahlung, vor allem aber die Wärmeabstrahlung der Erde, womit eine mittlere Erdtemperatur von gegenwärtig etwa 15 °C zustande kommt. Gäbe es diesen natürlichen Treibhauseffekt nicht, läge die mittlere Erdtemperatur bei etwa -18 °C, also rund 33 °C tiefer.

Der mittlere Luftdruck auf der Erdoberfläche beträgt rund 1013 hPa. Mit der Höhe nimmt der Luftdruck kontinuierlich ab, bis er an der Tropopause, die Obergrenze der Troposphäre, auf etwa 200 hPa sinkt. Ebenso sinkt die Temperatur im Schnitt mit 6.5 °C pro Kilometer. An der Tropopause herrschen demnach typischerweise Temperaturen von -60 bis -80 °C.

Es gäbe noch viele weitere spannende Elemente, die die Troposphäre ausmachen. Diese alle zu erwähnen und beschreiben, würde hier aber den Rahmen sprengen. Deshalb gehen wir nun ein Stockwerk höher in die Stratosphäre.

Stratosphäre – die Ozonschicht

An der Tropopause, die Grenze zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre (knapp darunter befindet sich auch der Jetstream), beginnt die Temperatur mit zunehmender Höhe plötzlich wieder zu steigen, vor allem in der oberen Stratosphäre. Daran ist die Chemie Schuld. Das in der Stratosphäre befindliche lebenswichtige Ozon absorbiert die für den Menschen schädliche kurzwellige UV-Strahlung. Durch chemische Prozesse wird dabei Wärme freigesetzt, womit die Temperatur wieder bis gegen 0 °C ansteigt.

Die Stratosphäre erstreckt sich bis auf eine Höhe von rund 50 km über der Erdoberfläche. In dieser Höhe beträgt der Luftdruck noch rund 1 hPa. In ihr befindet sich kaum Wasserdampf. Mit der Temperaturumkehr resultiert eine sehr stabile Schichtung, der Austausch mit der wasserdampfhaltigen Troposphäre ist dadurch stark eingeschränkt. Dennoch können bei sehr kalten Bedingungen (auf ca. 20 bis 30 km Höhe) sogenannte «Polare Stratosphärenwolken» entstehen (im Winter und in höheren nördlichen bzw. südlichen Breiten). Bei https://www.meteoros.de/ finden Sie mehr Infos über die Wolkenart.

Mesosphäre – die leuchtende Schicht

Über der Stratosphäre liegt die Mesosphäre, in welcher kaum noch Ozon vorkommt. Diese erstreckt sich von rund 50 bis etwa 85 km Höhe. Weil kein Ozon mehr vorhanden ist, sinkt auch die Temperatur wieder von etwa 0 °C bei 50 km gegen durchschnittlich -100 Grad bei 85 km Höhe. Die Mesosphäre ist damit die kälteste Schicht der gesamten Atmosphäre. Die Luft hat hier noch einen Tausendstel der Luftdichte auf Meereshöhe.

In der Mesosphäre entstehen oft Sternschnuppen. Staubteile oder kleinere Gesteinsbrocken aus dem Weltall verglühen hier durch Reibung an den Luftpartikeln. Zudem kommt es an der Mesopause zu sogenannten «Leuchtenden Nachtwolken», die Sie in unseren Blog vom 6. Juli oder vom 17. Juni kennengelernt haben.

Thermosphäre – die ionisierte Schicht

Die Thermosphäre liegt über der Mesosphäre. Sie erstreckt sich von rund 85 bis etwa 500 km Höhe. Die Luft ist hier extrem dünn. Der Abstand zwischen den einzelnen Gasteilchen der Luft kann mehrere Kilometer betragen. Die Temperatur steigt innerhalb dieser Sphäre bis etwas über 1700 °C. Allerdings sind so wenige Gasteilchen unterwegs und diese so weit voneinander entfernt, dass zwischen ihnen nur extrem wenig Energie ausgetauscht wird. 1700 °C in der Thermosphäre sind also quasi nicht dasselbe wie an der Erdoberfläche.

In dieser Schicht ist zudem die internationale Raumstation ISS unterwegs. Weit beeindruckender ist aber die Erscheinung von Nord- oder Polarlichtern, die in dieser Schicht vorkommen. Sie entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes auf Sauerstoff- und Stickstoffatome der Thermosphäre treffen und diese zum Leuchten bringen (sie werden ionisiert). Durch das Erdmagnetfeld, dessen Feldlinien bei den Erdpolen ein- und austreten, werden die elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes in Richtung Erdpol (Nord- oder Südpol) abgelenkt.

Exosphäre – die Übergangsschicht

Innerhalb dieser Sphäre findet ein fliessender Übergang zwischen der Erdatmosphäre und dem luftleeren Weltall statt. Die Ausbreitung dieser Exosphäre kann aber trotzdem mit etwa 500 km bis 10'000 km angegeben werden. Hier wird der Effekt der Erdanziehung mit zunehmender Höhe immer geringer. Gasteilchen können somit irgendwann nicht mehr festgehalten werden und ins Weltall entweichen.

Ich kann nun auch nicht mehr festgehalten werden. Ich entweiche zwar nicht, aber der Feierabend ruft!

Kommentare (9)

  1. Gut Felicitas, 09.07.2020, 16:36

    Danke für die sehr anschaulichen Erklärungen der verschiedenen Sphären.
    Meine 1. Frage: mischen sich oder "kommunizieren" die verschieden Sphären?
    2. Frage: haben wir neuerdings mehr Wind (meine Wahrnehmung) und weshalb?

    1. MeteoSchweiz, 11.07.2020, 10:55

      Zur Frage 1: zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre findet einen Austausch statt, wenn auch oft nur räumlich und zeitlich begrenzt. Weiter nach oben bzw. zwischen den anderen Sphären sind die Grenzen weniger "hart" bzw. eher fliessend, vertikale Umlagerungen können daher zwar stattfinden, sind aber meist nicht bedeutend (da nach oben hin auch immer weniger Luft vorhanden ist).
      Zur Frage 2: der vergangene Winter war in der Tag windiger als üblich. Von einem Trend zu mehr Wind kann aber nicht gesprochen werden. In Jetstream-Niveau stellt man zur Zeit sogar eher einen negativen Trend fest, d.h. der Jetstream wird insgesamt schwächer. Studien zufolge könnte dies eine Folge der Klimaerwärmung sein. Grund: die Temperaturgegensätze (die quasi den Jet antreiben) in dieser Höhe bzw. in der unteren Stratosphäre werden geringer, dadurch wird der Jet schwächer bzw. beginnt mehr zu mäandrieren.

  2. Volker, 09.07.2020, 16:25

    Im Abschnitt zur Thermosphäre schreiben Sie, dass der Abstand zwischen den Gasmolekülen mehrere Kilometer betragen kann. Dies ist nicht korrekt. Richtig ist, dass die mittlere freie Weglänge (grob gesagt der Weg, den ein Molekül im Mittel zurücklegt, bis es mit einem anderen zusammenstösst) mehrere Kilometer betragen kann. Trotzdem sind in einem Kubikzentimeter immer noch etwa 10000 Moleküle, d.h. der mittlere Abstand ist kleiner als 1mm.

  3. Pierre Rust, 08.07.2020, 23:59

    Vielen Dank für die sehr interessante, klare, vollständige und trotzdem synthetische Erklärung zu der spannenden Thematik unserer Atmosphäre ! Das Ganze passt übrigens perfekt zu den ruhigen und von "leuchtenden Nachtwolken" gezierten Sommernächten die wir dieses Jahr genießen können.

  4. Urs, 08.07.2020, 23:50

    Die Luftzusammensetzung habe ich genauso vor 40 Jahren in der Schule gelernt. Die Wälder der Welt sind doch seit dem Mittelalter massiv gerodet worden, die Urwälder werden es weiterhin. Der Sauerstoffanteil sinkt doch zwangsläufig oder mache ich einen Denkfehler?

  5. Guerrini Ravaldo, 08.07.2020, 22:58

    Ein ganz toller Bericht mit verständlichen Erklärungen..Bravo

  6. Peter Bernet, 08.07.2020, 20:45

    Wichtig wäre noch zu erwähnen, dass die geografischen Pole
    nicht am gleichen Ort sind, wie die magnetischen Pole.

  7. Helen Itschner, 08.07.2020, 20:26

    Der letzte Satz ist wieder ein fantasievolles Kunstwerk.

    Nach diesem Bericht ein solcher Satz - und so schweben Sie eben in den Feierabend.

  8. Aeberhardt, 08.07.2020, 17:54

    Sie stellen so Vieles einfach und verständlich dar und abwechslungsreich! Danke!