Wissenschaft Kompakt

Die Tropopause



Das heutige Thema des Tages gibt einen etwas genaueren Einblick in
die Definition ? beziehungsweise unterschiedliche Definitionen - der
Tropopause, basierend auf den Charakteristika dieser nicht ganz
einfach oder eindeutig definierbaren Übergangszone zwischen den
beiden ersten Schichten der Erdatmosphäre.


Die Tropopause wurde schon vielfach in der Rubrik Thema des Tages in
unterschiedlichen Zusammenhängen erwähnt, oder auch explizit als
Grenzfläche zwischen den beiden untersten Atmosphärenschichten
eingeführt. Sie stellt dabei eine konzeptionelle Transportbarriere
dar, zwischen der Troposphäre, in der das allgemeine Wettergeschehen
mit Transport und Mischung von Luftmassen auf recht kurzen Zeitskalen
stattfindet, und der stabil geschichteten Stratosphäre mit
Luftmassentransport auf langen Zeitskalen. Die Tropopause lässt sich
anhand unterschiedlicher charakteristischer Eigenschaften der
angrenzenden Atmosphärenschichten definieren. Je nachdem, ob dabei
thermische, dynamische oder chemische Eigenschaften betrachtet
werden, ergeben sich unterschiedliche Definitionen und teilweise auch
variierenden Höhenlagen der Tropopause.

Die thermische Tropopause

Die erste international standardisierte und bis heute meist
verwendete Definition geht auf die Weltorganisation für Meteorologie
(WMO) zurück. Im sechsten Jahrgang ihres meteorologischen
Mitteilungsbulletins definiert die WMO die Tropopause als die
unterste Höhe, in der der vertikale Temperaturgradient (auf Englisch
"lapse rate" namensgebend für die sogenannte lapse rate tropopause
(LRT)) auf 2 °C pro Kilometer oder weniger abnimmt, sofern diese
Bedingung auch in den folgenden zwei Kilometern darüber erhalten
bleibt. Vereinfacht gesagt: Die Tropopause markiert den Übergang von
einer Luftschicht, in der die Temperatur mit der Höhe normalerweise
abnimmt, zu einer Schicht, in der sie kaum noch abnimmt oder sogar
wieder ansteigt. Die Zusatzbedingung in der Definition soll
sicherstellen, dass keine lokalen Inversionsschichten
fälschlicherweise als Tropopause identifiziert werden.
Dieses Temperaturverhalten hat weitreichende Folgen für die vertikale
Bewegung der Luft. In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit der
Höhe im Mittel ab. Aufsteigende Luftpakete, die in guter Näherung
keine Wärme mit ihrer Umgebung austauschen und sich demnach beim
Aufstieg mit dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten abkühlen,
beziehungsweise bei Wolkenbildung und Freisetzung latenter Wärme mit
dem feuchtadiabatischen Gradienten, können so abhängig von der
genauen Ausprägung der Schichtung in der Troposphäre wärmer und
leichter als ihre Umgebung bleiben und immer weiter aufsteigen. Mit
der Stabilisierung der Schichtung an der Tropopause erfahren die
Luftpakete dann allerdings keinen Auftrieb mehr, und es kommt
höchstens noch zum Überschießen der Tropopause durch den bereits
vorhandenen Bewegungsimpuls.
Diese Eigenschaft gab der darüberliegenden Atmosphärenschicht ihren
Namen: Stratosphäre. Anders als in der Troposphäre, deren Name auf
die Durchmischung zurückgeht, ist die Stratosphäre durch eine
ausgeprägte stabile Schichtung gekennzeichnet. Der Austausch zwischen
beiden Atmosphärenschichten ist daher eingeschränkt, wenn auch
keineswegs vollständig unterbunden.

Die dynamische Tropopause

Die thermische Definition beschreibt die Tropopause anhand der
Temperatur. In der Wetter- und Klimaforschung wird jedoch häufig eine
andere Definition verwendet: die dynamische Tropopause, die auf der
potentiellen Vorticity (PV) beruht.
Die potentielle Vorticity ist eine physikalische Größe, die
Informationen über die Rotation und die vertikale Schichtung der
Atmosphäre miteinander verbindet. Sie nimmt beim Übergang von der
Troposphäre zur Stratosphäre typischerweise sprunghaft zu. Ein
wesentlicher Grund dafür ist die starke Zunahme der statischen
Stabilität: Während die Luft in der Troposphäre vergleichsweise
leicht vertikal bewegt werden kann, ist die Stratosphäre deutlich
stabiler geschichtet. Dieser Übergang erzeugt einen ausgeprägten
vertikalen PV-Gradienten.
Ein besonderer Vorteil der potentiellen Vorticity besteht darin, dass
sie unter idealisierten Bedingungen ? bei adiabatischen und
reibungsfreien Bewegungen ? erhalten bleibt. Sie eignet sich deshalb
hervorragend, um Luftmassen und ihre großräumigen Bewegungen zu
verfolgen. Die dynamische Tropopause lässt sich so näherungsweise als
Grenzfläche zwischen troposphärischen und stratosphärischen
Luftmassen auffassen.
In der Forschung wird häufig ein bestimmter PV-Wert als
Tropopausenhöhe verwendet, besonders verbreitet sind 2 PVU (Potential
Vorticity Units, in SI Einheiten 10?6?m2 K kg?1?s?1). Daneben werden
aus statistischen Überlegungen heraus aber auch andere Werte
verwendet. Welcher Wert am besten geeignet ist, hängt unter anderem
von der Fragestellung, der geografischen Lage und der gewünschten
Abgrenzung zwischen troposphärischer und stratosphärischer Luft ab.
Ein weiterer, verhältnismäßig neuer Ansatz ist die Definition der
Tropopause über ein Maximum im Gradienten der potenziellen Vorticity.


Die dynamische Definition ist besonders nützlich aufgrund der
Erhaltungseigenschaft der PV. Im Bereich der großskaligen
Wellenbewegungen in der Höhenströmung und den Residuen wenn solche
Wellen brechen - also im Bereich von Trögen, Rücken, abgeschlossene
Höhentiefs - kann sich die Tropopause stark verformen, wobei zum
Beispiel stratosphärische Luftmassen weit nach unten in Höhenbereiche
gelangen, in denen man generell troposphärische Luft erwarten würde.
Solche Prozesse spielen mitunter eine wichtige Rolle beim Austausch
von Spurengasen zwischen den beiden Atmosphärenschichten, was uns
unmittelbar weiterführt zu der...

...chemischen Tropopause

Auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre unterscheidet sich
deutlich zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Diese Unterschiede
ermöglichen eine weitere Definition der Tropopause: die chemische
Tropopause. Sie beruht auf charakteristischen Änderungen des
Mischungsverhältnisses bestimmter Spurengase.
Ein besonders anschauliches Beispiel ist der Wasserdampf. In der
Troposphäre ist die Luft vergleichsweise feucht, wobei der
Wasserdampfgehalt stark mit Temperatur, Höhe und Wetterbedingungen
variiert. In der Stratosphäre ist die Luft dagegen vergleichsweise
sehr trocken, was unter anderem daran liegt dass aufsteigende Luft an
der Tropopause stark abgekühlt wird und ein Großteil ihres
Wasserdampfs auskondensiert, wodurch der troposphärische Eintrag von
Wasserdampf in die Stratosphäre äußerst gering ist - welche Prozesse
wann und wo überhaupt Transport durch die Tropopause ermöglichen ist
dabei mindestens ein Thema des Tages für sich! Wasserdampf wird in
wissenschaftlichen Untersuchungen also mitunter als troposphärischer
Tracer zur Identifizierung der Tropopausenregion verwendet.
Allerdings ist sein vertikales Profil auch von Temperatur,
Konvektion, der großräumigen Zirkulation, und Bildung durch bestimmte
chemische Prozesse in der Stratosphäre abhängig, was die
Interpretation oft schwierig gestaltet.
Ein weiterer wichtiger Tracer ist das Ozon (O3). Der überwiegende
Teil des atmosphärischen Ozons entsteht in der Stratosphäre durch
photochemische Prozesse. Dort sind die Ozon-Mischungsverhältnisse
erheblich höher als in der Troposphäre. Entsprechend zeigt sich über
der Tropopause häufig ein ausgeprägter Anstieg der Ozonkonzentration.
Wird die Tropopause durch die großräumige atmosphärische Dynamik
abgesenkt oder stark gefaltet, kann stratosphärische, ozonreiche Luft
in deutlich tiefere Höhen gelangen. Solche Vorgänge können
beispielsweise in Verbindung mit Höhentrögen und Cut-off-Lows
auftreten und führen zu charakteristischen Veränderungen der
Ozonverteilung.

Auch Distickstoffmonoxid (N2O, Lachgas) eignet sich besonders gut als
chemischer Tracer. Es wird überwiegend durch mikrobielle Prozesse in
Böden und Ozeanen freigesetzt, insbesondere durch Nitrifikation und
Denitrifikation im Stickstoffkreislauf. In der Troposphäre ist N2O
aufgrund seiner langen atmosphärischen Lebensdauer gut durchmischt,
was sich durch eine langsam aber stetig steigendes troposphärischen
Hintergrund-Mischungsverhältnis abzeichnet. In der Stratosphäre wird
N2O hingegen photochemisch abgebaut, was auch hier mit einem
ausgeprägten scharfen Gradienten über die Tropopause hinweg
einhergeht. An dieser Stelle könnte man noch einige weitere
atmosphärische Spurengase mit charakteristischen Vertikalprofilen
aufzählen. Ein naheliegender nächster Schritt wäre es dann, sich
tatsächlich Mischungsprozesse an der Tropopause anzuschauen, deren
"Fußabdrücke" in der atmosphärischen Zusammensetzung besonders
eindrücklich anhand von Mischungslinien in Spurengas-Korrelationen
identifiziert werden können. Der Autor hebt sich diese Thematik
allerdings für ein folgendes Thema des Tages auf.


Dipl.-Met. Thorsten Kaluza

Deutscher Wetterdienst
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Offenbach, den 06.11.2026

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