Aufbau der Atmosphäre

Woraus Luft besteht

Trockene Luft ist ein Gemisch aus drei Hauptgasen und vielen Spuren. Fast alles, was sie für Wetter und Klima wichtig macht, steckt ausgerechnet in den kleinsten Anteilen.

Der wichtigste Stoff fürs Wetter fehlt in dieser Tabelle, weil er ständig kommt und geht: Wasserdampf. Wie viel davon in der Luft sein kann, hängt an der Temperatur (Luftfeuchtigkeit). An einem kalten, trockenen Wintertag mit einem Taupunkt von −5 °C macht er gut 0,4 % der Luft aus, in feuchter Tropenluft mit 25 °C Taupunkt gut 3 %. Das ist wenig — aber daraus bestehen alle Wolken, aller Regen und jedes Gewitter.

Bis in grob 80 bis 100 km Höhe wirbelt die Luft so gründlich durcheinander, dass diese Anteile überall gleich bleiben. Auf der Zugspitze oder dem Mount Everest atmet man also ebenfalls 21 % Sauerstoff — nur ist die Luft dünner (siehe unten). Erst darüber entmischen sich die Gase nach ihrem Gewicht; in einigen hundert Kilometern Höhe besteht der Rest der Luft überwiegend aus einzelnen Sauerstoffatomen.

Die Prozentwerte sind gerundet und nicht für immer fest: CO₂ steigt Jahr für Jahr, und durch das Verbrennen von Kohle, Öl und Gas sinkt der Sauerstoffanteil messbar — allerdings so wenig, dass es fürs Atmen keine Rolle spielt.

Wie dünn die Hülle ist

Luft lässt sich zusammendrücken. Die oberen Schichten drücken mit ihrem Gewicht auf die unteren (Luftdruck), deshalb drängt sich die meiste Luft ganz unten zusammen, und Druck und Dichte nehmen nach oben rasch ab. In den unteren Kilometern halbiert sich der Druck etwa alle 5,5 km. Daraus folgt eine Zahl, die man sich merken kann: Die Hälfte aller Luft liegt unterhalb von 5,5 km, 90 % unterhalb von etwa 16 km, 99 % unterhalb von etwa 31 km.

Auf einem Globus von 30 cm Durchmesser wäre die Wetterschicht, je nach Breite 8 bis 17 km dick, nur 0,2 bis 0,4 mm stark — so viel wie zwei bis vier Blatt Papier.

„Luft darunter“ ist der Anteil der gesamten Luftmasse, der unterhalb dieser Höhe liegt; er folgt direkt aus dem Druck, weil der Druck das Gewicht der Luft darüber ist. Am Everest-Gipfel ist der Sauerstoffanteil derselbe wie am Meer, aber der Druck beträgt nur rund ein Drittel — mit jedem Atemzug kommt deshalb nur rund ein Drittel so viel Sauerstoff in die Lunge.

Stockwerke, erkannt an der Temperatur

Die Stockwerke der Atmosphäre werden nicht nach festen Höhen abgegrenzt, sondern nach dem Temperaturverlauf: Jedes Mal, wenn er umkehrt, beginnt ein neues Stockwerk. Die Grenzflächen enden auf „-pause“. Dass die Temperatur überhaupt umkehrt, liegt daran, wo die Atmosphäre ihre Wärme bekommt:

• Troposphäre: Sonnenlicht erwärmt vor allem den Boden, der Boden die Luft darüber. Erwärmte Luft steigt auf, kommt unter geringeren Druck, dehnt sich aus und kühlt dabei ab; sinkende Luft wird umgekehrt zusammengedrückt und warm. Weil die Troposphäre so ständig umgewälzt wird, ist es oben im Mittel kälter — nicht, weil die Luft dort einfach weiter von der „Heizplatte“ Boden entfernt wäre.
• Stratosphäre: Das Ozon schluckt UV-Strahlung der Sonne und heizt seine Umgebung. Nach oben wird es deshalb wieder wärmer, am stärksten heizt es ganz oben (mehr dazu unten).
• Mesosphäre: Oberhalb von etwa 50 km wird das Ozon so selten, dass diese Heizung nachlässt; die Temperatur sinkt auf die tiefsten Werte der ganzen Atmosphäre.
• Thermosphäre: Ganz oben schlucken die wenigen verbliebenen Teilchen die energiereichste Strahlung der Sonne. Die Temperatur steigt steil, je nach Sonnenaktivität auf mehrere hundert bis über tausend Grad.

Das Bild ist zugleich eine Landkarte der übrigen Wissensseiten: Die meisten ihrer Themen spielen in den unteren zwölf Kilometern, einige reichen weit darüber hinaus — der Polarwirbel in die Stratosphäre, das Polarlicht in die Thermosphäre, die Wettersatelliten ganz aus der Atmosphäre hinaus.

Troposphäre und Tropopause: das Stockwerk des Wetters

Die Troposphäre enthält in mittleren Breiten rund drei Viertel der gesamten Luftmasse und fast den gesamten Wasserdampf — und damit alle Wolken bis auf wenige Ausnahmen, allen Regen, alle Gewitter. Im Mittel wird es um 0,65 K je 100 m kälter; das nutzt zum Beispiel die Abschätzung der Schneefallgrenze, und es ist der Grund, warum es auf dem Berg kühler ist als im Tal (Bergwetter). Aufsteigende Luft dehnt sich aus und kühlt dabei ab, bis ihr Wasserdampf zu Wolken kondensiert (Wie Wolken entstehen).

Die Obergrenze, die Tropopause, liegt nicht überall gleich hoch. Über den Polen liegt sie bei etwa 8 km, über Deutschland je nach Wetterlage und Jahreszeit zwischen etwa 8 und 13 km, über den Tropen bei etwa 16 bis 17 km. Warme Luft dehnt sich aus, eine warme Luftsäule ist also höher, und in den Tropen tragen kräftige Gewitter die Luft besonders weit nach oben. Ein Paradox folgt daraus: Weil sie so hoch liegt, ist die Tropopause über dem Äquator mit meist rund −80 °C deutlich kälter als über Deutschland.

Über der Tropopause nimmt die Temperatur nicht mehr ab. Für aufsteigende Luft wirkt das wie eine riesige Inversion: Sie wird dort rasch kälter und schwerer als ihre Umgebung und kommt nicht weiter. Deshalb breitet sich eine Gewitterwolke oben als flacher Amboss aus; nur die kräftigsten Aufwinde, etwa in einer Superzelle, schießen als Beule ein Stück darüber hinaus. Und deshalb reichen Gewitter im Winter, wenn die Tropopause tiefer liegt und die Aufwinde schwächer sind, weniger hoch (Hagel).

Nahe der Tropopause, an den Stellen, an denen sie springt, liegen die Jetstreams. In dieser Höhe fliegen auch Verkehrsflugzeuge: Die Luft ist dünn und bremst wenig, und das meiste Wetter liegt unter ihnen. Dort entstehen Kondensstreifen und die unsichtbaren Böen am Rand der Jetstreams (Turbulenz).

Stratosphäre: ruhig, trocken und geschichtet

Der Name kommt vom lateinischen stratum, Schicht — und das trifft es. Weil es nach oben wärmer wird, liegt leichte warme Luft über schwerer kalter: Die Stratosphäre ist stabil geschichtet, Luft steigt hier kaum auf oder ab. Die Wärme stammt vom Ozon. Die meisten Ozonmoleküle stecken in der Ozonschicht grob zwischen 15 und 35 km, wo rund 90 % allen Ozons liegen. Am wärmsten wird es aber darüber, an der Stratopause in etwa 50 km Höhe, mit knapp 0 °C fast so warm wie an einem Wintertag am Boden. Das ist kein Widerspruch: Dort oben ist zwar weniger Ozon, aber noch viel weniger Luft, die sich die Wärme teilt, und das UV-Licht kommt noch ungeschwächt an. Bis es die dichteste Ozonschicht erreicht, ist ein großer Teil schon geschluckt.

Die ruhige Schichtung hat Folgen, die man bis zum Boden spürt:

• Kaum Wolken. Die Stratosphäre ist extrem trocken, enthält nur wenige Millionstel Wasserdampf. Das liegt nicht an der Schichtung, sondern am Eingang: Die meiste Luft gelangt über die eiskalte Tropopause der Tropen hinein und friert dort ihren Wasserdampf fast vollständig aus, wie in einer Kältefalle. Wolken bilden sich deshalb erst, wenn es noch kälter wird, unter etwa −78 °C: Dann entstehen in rund 15 bis 25 km Höhe Perlmuttwolken, die in der Dämmerung schillern. Über der Antarktis wird es dafür jeden Winter monatelang kalt genug, über der Arktis im Mittel nur ein bis zwei Monate. Sie sind schön und schädlich zugleich: An ihnen wird das Chlor frei, das im Frühjahr das Ozonloch aufreißt (Ozonschicht & Ozonloch). In Deutschland sieht man sie nur selten.
• Was hinaufkommt, bleibt lange. In der Troposphäre wäscht Regen Staub und Tröpfchen binnen Tagen bis weniger Wochen aus; in der Stratosphäre regnet es nicht. Der Schwefelschleier eines großen Vulkanausbruchs, der bis dort hinauf gelangt, hält sich deshalb ein bis drei Jahre und kühlt so lange das Klima (Klimageschichte).
• Ein eigener Wirbel. Im Winter kreist in 15 bis 50 km Höhe der stratosphärische Polarwirbel. Bricht er bei einer plötzlichen Stratosphärenerwärmung zusammen, kann das Wochen später unser Wetter verändern — muss es aber nicht.
• Das Ende der Routinemessung. Die Wetterballone, die zweimal am Tag aufsteigen, platzen meist in 20 bis 30 km Höhe. Was darüber liegt, wird fast nur noch aus der Ferne gemessen.

Entdeckt wurde die Stratosphäre 1902, unabhängig voneinander von Léon Teisserenc de Bort in Frankreich und Richard Aßmann in Berlin, mit unbemannten Ballonen. Dass es oberhalb von etwa 11 km nicht mehr kälter wird, widersprach der Erwartung, und der Befund setzte sich erst durch, als viele Aufstiege ihn bestätigt hatten und ein Messfehler als Erklärung nicht mehr reichte. Einer unerwarteten Messung erst zu misstrauen und sie dann ernst zu nehmen: Diese Haltung hat die Wetterkunde oft weitergebracht (Geschichte der Vorhersage).

Mesosphäre: das kälteste und am schlechtesten vermessene Stockwerk

Oberhalb von etwa 50 km fällt die Temperatur wieder, bis zur Mesopause in etwa 85 bis 100 km Höhe. In der Normatmosphäre sind es dort rund −86 °C. Am kältesten wird es aber an einem Ort und zu einer Zeit, die man kaum erwarten würde: über dem Sommerpol, im Sommer. Eine großräumige Zirkulation, angetrieben von Wellen, die aus der Wetterschicht nach oben laufen, lässt die Luft dort aufsteigen, und aufsteigende Luft kühlt ab. Das empirische Atmosphärenmodell NRLMSISE-00 liefert für 69° Nord im Juli rund −135 °C in rund 88 km Höhe — die kälteste Luft der Erde liegt im Hochsommer über der Arktis. Messungen mit Fallkugeln, die von Forschungsraketen über Nordnorwegen ausgesetzt wurden, ergaben dort im Mittel sogar rund −143 °C (Lübken 1999) — ein Beispiel dafür, wie weit Modell und Messung in dieser Höhe auseinanderliegen können.

In der Mesosphäre und knapp darüber verglühen die Sternschnuppen, grob in 70 bis 120 km Höhe: meist winzige Körner aus dem All, die mit mehreren zehn Kilometern pro Sekunde eintauchen und dabei so stark aufgeheizt werden, dass sie verdampfen.

Kein Stockwerk ist so schlecht vermessen wie dieses. Für Ballone und Flugzeuge ist es zu hoch — der Rekord-Wetterballon des Observatoriums Lindenberg kam bis 40 km (Radiosonde) —, für Satelliten zu tief: Sie würden abgebremst und abstürzen. Messungen kommen von Forschungsraketen, die nur Minuten lang durch die Schicht fliegen, von Laser- und Radargeräten am Boden, in Deutschland etwa am Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik in Kühlungsborn, und von Satelliten, die schräg von oben durch die Schicht blicken. Unter Fachleuten heißt sie halb im Scherz „Ignorosphäre“. Die Zahlen für diese Höhen sind deshalb unsicherer als die für die Wetterschicht.

Thermosphäre: heiß und trotzdem kalt — und wo das All beginnt

Oberhalb der Mesopause steigt die Temperatur steil an. Die wenigen Teilchen dort schlucken die energiereichste Strahlung der Sonne, und weil so wenige da sind, werden sie sehr heiß. Nach dem Modell NRLMSISE-00 liegen die Temperaturen in 400 km Höhe je nach Sonnenaktivität und Tageszeit grob zwischen 400 und über 1200 °C. Warm würde einem trotzdem nicht: Die Luft ist dort je nach Sonnenaktivität nur grob ein Billionstel bis ein Hundertmilliardstel so dicht wie am Boden. Ein Thermometer im Schatten würde von den wenigen Teilchen kaum getroffen, strahlte mehr Wärme ab, als es bekäme, und zeigte tiefe Kälte.

Die Sonnenstrahlung reißt hier oben Elektronen von den Teilchen ab. Ab etwa 60 bis 80 km entsteht so die elektrisch leitende Ionosphäre, an der Kurzwellen-Funk zurückgeworfen wird und die GPS-Signale verzögert. Wo geladene Teilchen hineinprasseln, leuchtet sie als Polarlicht in rund 100 bis über 200 km Höhe; die Teilchen stammen dabei größtenteils aus dem Magnetfeld der Erde selbst, der Sonnenwind liefert die Energie, die sie beschleunigt. In Deutschland sieht man es nur bei kräftigen geomagnetischen Stürmen. Mit dem Wetter darunter hat das nichts zu tun. Warum man umgekehrt mit Radiowellen in der Ionosphäre auch kein Wetter machen kann, steht auf Wetterbeeinflussung.

Eine scharfe Grenze zum Weltraum gibt es nicht; die Luft wird nur immer dünner. Üblich ist die Kármán-Linie bei 100 km, eine Festlegung des Luftsport-Weltverbands FAI. US-Behörden zählen schon ab 50 Meilen, rund 80 km, und der Astrophysiker Jonathan McDowell hat 2018 nachgerechnet, dass diese niedrigere Grenze physikalisch besser begründet ist. Die Internationale Raumstation ISS kreist in rund 400 km Höhe mitten in der sehr dünnen Thermosphäre und muss regelmäßig angehoben werden, weil selbst diese Luft sie bremst. Die polumlaufenden Wettersatelliten fliegen in rund 800 km, Meteosat in rund 36.000 km (Wettersatelliten).

Die Thermosphäre reagiert auf das Weltraumwetter: Bei einem geomagnetischen Sturm heizt sie sich auf, dehnt sich aus, und in Satellitenhöhe wird die Luft dichter. Im Februar 2022 verlor die Firma SpaceX auf diese Weise 38 von 49 frisch gestarteten Starlink-Satelliten, die in ihrer niedrigen Startbahn zu stark abgebremst wurden und verglühten — bei einem nur mäßigen Sturm.

Was der Klimawandel in der Höhe verändert

Treibhausgase erwärmen die Troposphäre, aber sie kühlen die Stockwerke darüber. Dort oben, wo die Luft dünn ist, strahlt zusätzliches CO₂ mehr Wärme ins All ab, als es von unten aufnimmt. Genau diese Kombination — unten wärmer, oben kälter — gilt als Fingerabdruck des menschengemachten Treibhauseffekts. Wäre eine stärkere Sonne die Ursache der Erwärmung, müssten sich beide Stockwerke erwärmen.

Ehrlich dazugesagt: In der unteren Stratosphäre überlagern sich zwei Ursachen. Der Weltklimarat schreibt die Erwärmung der Troposphäre seit 1979 vor allem den Treibhausgasen zu, die Abkühlung der unteren Stratosphäre von 1979 bis Mitte der 1990er-Jahre aber vor allem dem Ozonabbau. Am klarsten ist das CO₂-Signal weiter oben. Weil sich die Troposphäre ausdehnt und die Stratosphäre abkühlt, steigt die Tropopause langsam an. Mesosphäre und Thermosphäre kühlen sich ebenfalls ab und ziehen sich zusammen, so zeigen es Messreihen und Modellrechnungen; die Luft in Satellitenhöhe wird dünner, und Weltraumschrott bleibt länger im Orbit. Wie stark diese Trends oberhalb von etwa 50 km genau sind, ist wegen der dünnen Messlage unsicherer als am Boden. Wie der Wandel bei uns am Boden aussieht, zeigt Klimawandel in Deutschland.