Im Folgenden wird versucht, den Einfluss der Stratosphäre auf das Wettergeschehen in der Atmosphäre zu beleuchten. Ebenso werden gegenseitige Rückkopplungen zwischen Troposphäre und Stratosphäre erwähnt.

Allgemein wird ja viel diskutiert und geforscht, inwieweit das komplexe und in sich nicht abgeschlossene physikalische System aus verschiedenen Bereichen oder Schichten innerhalb der Atmosphäre zusammenhängt. Da ist zunächst einmal die uns vertraute Troposphäre, in der sich das tägliche Wetter hauptsächlich abspielt. Sie ist in den polaren Breiten 7 bis 9 km, in den Tropen bis rund 18 km mächtig. In unseren gemäßigten Breiten (40 bis 60 Grad Nord) erstreckt sie sich vertikal um die 10 bis 12 km. Aber hier fängt sie schon an die Diskussion: wo hört die Troposphäre auf, wo fängt die Stratosphäre an?

Wir Menschen neigen ja dazu, selbst die Natur zu schablonisieren. Das lässt diese natürlich nur begrenzt zu. Aber mal ernsthaft: Diese Grenzschicht, auch Tropopause genannt, wo Troposphäre auf Stratosphäre trifft, wird normalerweise da angesetzt, wo die Temperatur mit der Höhe nicht mehr abnimmt. Ein anderer Parameter ist der minimale Druck, der erreicht ist, damit die Stratosphäre anfängt, also z.B. in 200 hPa (Zum Vergleich: am Erdboden sind es rund 1000 hPa). Wann dieser Druck erreicht wird, hängt aber auch von der Temperatur ab, genauer gesagt von der Temperaturabnahme mit der Höhe. Entscheidend für die Festlegung von Grenzschichten ist die vertikale Schichtung der Temperatur. Nun ja, da es an den Polen so oder so schon kalt ist, wird diese Grenze eher erreicht als in den Tropen.

Nun zur Stratosphäre selbst: Im Mittel erstreckt diese sich zwischen durchschnittlich 10 und 50 km Höhe. Der Name sagt eigentlich schon alles: Stratos bedeutet so viel wie homogene Schichtung. In der Stratosphäre ist die Temperatur mit der Höhe relativ konstant, nimmt sogar mit der Höhe eher zu, vor allem ab ca. 25 bis 40 km Höhe. Dort wird durch photochemische Reaktion vom UV-Licht der Sonne mit den Sauerstoff-Molekülen das stratosphärische Ozon gebildet, das uns eben vor diesen energiereichen Strahlen der Sonne bewahrt. Das geschieht durch Absorption eines Teils der Strahlung durch das Ozon, wodurch allerdings die Umgebung erwärmt wird.

So viel zur Einleitung. Interessant sind die Wechselwirkungen in der Nähe der Grenzschicht Stratosphäre-Troposphäre. Wenn sich z.B. die Troposphäre von unten her übermäßig erwärmt, also vor allem durch zu hohe Meeresoberflächentemperaturen, dann werden so genannte Temperaturwellen allmählich bis in die Stratosphäre übertragen. Das heißt, dass dann die Temperatur in der gesamten Luftsäule zunimmt. Das hat wiederum zur Folge, dass sich allmählich hoher Luftdruck in diesem Bereich etabliert und zwar vom Boden bis in die untere Stratosphäre.

Was passiert jetzt? Da in der Stratosphäre sämtliche Austauschvorgänge von Luftmassen aufgrund geringerer horizontaler und vertikaler Temperaturunterschiede viel langsamer als in der Troposphäre vonstattengehen, wird diese zusätzliche Wärmeenergie zunächst gespeichert.

Nun aber bewegen wir uns auf dünnem Eis, da die Forschungen hier momentan noch keine eindeutigen Ergebnisse liefern. Aber es gibt gewisse Hinweise darauf, dass uns diese Wärme irgendwann in die Troposphäre zurückgeschickt wird und dann vor allem den polaren Jet-Stream (Starkwindband in 8 bis 10 km Höhe) schwächt, da dort auch die Temperaturerhöhungen der arktischen Meeresoberflächen am stärksten ausfallen. Dieses Starkwindband lebt nun aber gerade vom Temperaturunterschied zwischen dem Süden und dem Norden. Jeglicher Wärmeeintrag, ob nun von unten oder von oben, führt in der Folge außerdem zum stärkeren Mäandrieren des Jets.

Mit zunehmendem Verständnis der Zusammenhänge in der Stratosphäre sind wir immer besser in der Lage, diese Erhaltungs- und Konservierungseigenschaften der Stratosphäre auch für etwaige Langfristvorhersagen zu nutzen. Denn die Stratosphäre merkt sich alles, was weiter unten passiert. Damit werden Temperatur- und Druckwellen mit großer zeitlicher Amplitude übertragen. Das hat auf jeden Fall Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Troposphäre.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 31.07.2019

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