Dynamik der Stratosphäre

Im Vergleich zur Troposphäre laufen Prozesse in der Stratosphäre sehr langsam ab. Die Schichtung ist stabil und es gibt nur geringen Austausch von Luftmassen mit der Troposphäre. Geringer Austausch ist jedoch mehr, als gar kein Austausch...

Stratosphären-Troposphären Austausch (STE)

Der globale Transport wird von der Sonne angetrieben. Die Sonnenstrahlung wärmt das Land, die Meeresoberfläche und die Luft in den Tropen mehr auf, als in den höheren oder mittleren Breiten. Daher ist der Auftrieb von Luftmassen, Konvektion genannt, in den Tropen höher, als in anderen Breiten. Oberhalb der Tropopause führt das Sonnenlicht zu einer Erwärmung der Stratosphäre infolge der Lichtabsorption des Ozons. Diese ist in den Polarregionen geringer und geht im polaren Winter gegen null. Infolgedessen findet eine langsame Umwälzung von Luft statt, welche in den Tropen nach oben getrieben wird und allmählich in Richtung der Pole wandert (1).

Stratosphären-Troposphären Austausch (STE)

1. Die Richtung der globalen Zirkulation und der Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre (STE).
Autor: Elmar Uherek

Luftaustausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre (stratosphere-troposphere exchange STE) kann ablaufen, wenn Schichten gleicher (potentieller) Temperatur durch die Tropopause laufen (2) oder wenn andere Störungen oder Transport durch Konvektion in den mittleren Breiten abläuft (3). In jedem Fall aber dauert ein vertikaler Austausch in der Troposphäre nur Stunden oder Tage, während eine Durchmischung der Stratosphäre in Monaten oder Jahren erfolgt. Hierin liegt der Grund, dass nach starken Vulkanausbrüchen (z.B. Mt. Pinatubo 1991) die Störung des stratosphärischen Gleichgewichtes über 1-2 Jahre dauern kann (siehe Grafik unten).
Dass dennoch ein geringer Austausch erfolgt, ist wichtig für den troposphärischen Ozonvorrat, der überwiegend aus der Stratosphäre gespeist wird. Stratosphärisches Ozon treibt die OH Bildung an und den troposphärischen Zyklus von Bildung und Abbau des Ozons auf photochemischem Wege.

Das tropospärische Ozonbudget:

Die Bildung und der Abbau troposphärischen Ozons sind ein Kreislauf, der seinen Hauptantrieb im stratosphärischen Ozon hat.

Vulkanausbruch -  Mt. Pinatubo

2. a) Der Ausbruch des Mt. Pinatubo auf den Philippinen im Juni 1991

Absorption durch Partikel nach dem Ausbruch des Mt. Pinatubo

2. b) Aerosol Absorption: Die in der Atmosphäre gemessene Absorption durch Partikel stieg nach dem Ausbruch des Mt. Pinatubo im Juni 1991 schlagartig an und ging erst über die nächsten 2-3 Jahre allmählich zurück. Die Störung (violett) reicht bis in die Stratosphäre.
Daten aus SAGE I + II

Brewer Dobson Zirkulation

Die in Abbildung 1 für eine Hemisphäre (= Erdhalbkugel) angedeutete Strömung ist links im Jahresmittel für den gesamten Atmosphärenquerschnitt gezeigt. Die mittlere Ozonverteilung verdeutlicht die Ansammlung des Ozons an den Polen. Dieser Luftmassenstransport wird auch als Brewer Dobson Zirkulation bezeichnet. Das Zustandekommen dieses Flusses lässt sich nur durch komplizierte Überlegungen zum Strahlungsgleichgewicht der Erde, der Ausbildung planetarer Wellen und den Absinkvorgängen im polaren Wirbel erklären. Jede Hemisphäre hat ihre eigene Zirkulation. Der Austausch zwischen den Halbkugeln der Erde ist relativ gering.

Brewer Dobson Zirkulation

3. Grundströmung der Brewer Dobson Zirkulation von den Tropen (Mitte) zu den Polen. Unterlegt ist eine über das Jahr gemittelte Ozonverteilung. Der Nordpol liegt rechts.
Datenquelle: Nimbus 7 Webseite

Unterschiede gibt es allerdings zwischen Nord- und Südhalbkugel. Im Norden ist die Verteilung von Wasser und Land ungleichmäßiger und der Polarwirbel schwächer ausgeprägt. In Betracht gezogen werden müssen auch die Jahreszeiten. Abbildung 2 zeigt eine mittlere Verteilung über das Jahr. Mit den Jahreszeiten und dem Sonnenzenit wandert aber auch das Zentrum des Luftauftriebs in den Tropen etwas nach Norden oder nach Süden. Abbildung 3 verdeutlicht, dass die Temperatur und Windverteilung im Januar nicht gleichmäßig ist. Mit ihr verschiebt sich auch die Brewer Dobson Zirkulation.

Temperaturverteilung mittlere Atmosphäre

. Temperatur- und Windverteilung der Atmosphäre im Querschnitt für Januar (= Winter auf der Norhalbkugel, rechter Bildteil).
Auffällig sind die kalte Tropopause in den Tropen und die Ausbildung eines Polarwirbels (polar vortex) über der Arktis.
Quelle: © NASA Goddard Space Flight Centre 2002

Polarer Wirbel

Der polare Wirbel ist ein um den Pol laufender Wind, der sich grundsätzlich an beiden Polen, besonders ausgeprägt aber am Südpol, entwickelt. In der Arktis ist die Oberflächenstruktur der Erde, in der Land und Ozean, Gebirge und Flachland wechseln, weniger günstig für eine stabile Wirbelbildung. Im antarktischen Polarwirbel dagegen können eine hohe Stabilität und sehr niedrige Temperaturen erreicht werden. Wie in einem Strudel wird in ihm Luft aus höheren stratosphärischen Schichten nach unten gesaugt und mit dieser Luft auch Substanzen, die für die Ausbildung des Ozonloches verantwortlich sind.

Polarwirbel am Südpol

5. Schema des Polarwirbels über dem Südpol.
Modifiziert nach einer Vorlage der Univ. of Columbia, Earth Science Dept.

polarer Wirbel und Temperatur

6. a) Dreidimensionale Illustration der Windgeschwindigkeit im polaren Wirbel (unten) und der Temperatur (oben).
Temperatur in Kelvin (K = °C - 273), z.B. 200 K = -73°C
Datenquelle: NASA / Goddard Space Flight Centre - simulation by IBM

Polarwirbel und Ozonloch - Oktober 1987

6. b) Dreidimensionale Illustration der Windgeschwindigkeit im Polarwirbel (unten) und der Ozonzerstörung im Oktober 1987 (oben).
nach Daten von: NASA / Goddard Space Flight Centre - simulation by IBM

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author: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Letzte Überarbeitung: 2007-08-23

Last modified: Thursday, 20 February 2020, 12:25 AM