Hallo Jojo,
Oha, da ging es ja bei den bisherigen Antworten doch etwas
durcheinander.
Die Schichteneinteilung, die Du erwähnt hast, kommt von
der Temperaturschichtung der Atmosphäre:
Troposphäre: Mit der Höhe abnehmende Temperatur.
Stratosphäre: Mit der Höhe zunehmende Temperatur (oder nur
unwesentliche Temperaturabnahme - nämlich im polaren Winter in
den unteren paar Kilometern der Stratosphäre).
Mesosphäre: Mit der Höhe wieder abnehmende Temperatur.
Die so definierte Grenze zwischen der Troposphäre und der
Stratosphäre (die „thermische Tropopause“) ist außer in den
Polargebieten lokal meist sehr scharf. Allerdings variiert sie
in der Höhe beträchtlich, so dass man meinen könnte, einen
breiteren Übergangsbereich zu sehen, wenn man über große Bereiche
oder viele Temperaturprofile mittelt. Ausserdem liegt sie je
nach Breite unterschiedlich hoch, nämlich in den Polargebieten
manchmal unter 8km und in den Tropen manchmal über 18km
Höhe.
Die Temperaturschichtung ist für die Eigenschaften der
jeweiligen Atmosphärenschicht sehr wichtig. Stell Dir mal
ein Luftpaket vor, welches durch einen Impuls von unten
(z.B. weil es über einen Berg strömt) etwas nach oben befördert
wird. Es gelangt dabei in einen Bereich geringeren Drucks, da
dieser ja nach oben überall abnimmt. Dadurch dehnt es sich
aus, was eine Abkühlung bewirkt. Generell gilt nämlich: Gase
die zusammengepresst werden, werden dabei warm (z.B. wird
deswegen eine Luftpumpe beim Aufpumpen des Fahrrads ziemlich
heiss) und sie werden kälter, wenn man sie expandieren lässt.
Unser aufgestiegenes und abgekühltes Luftpaket schaut sich
nun in seiner neuen, höheren Umgebung um. Es stellt sich nämlich
die Frage, ob es sich auf dem neuen Niveau halten kann, oder ob
es wieder zurückfällt. Das hängt davon ab, ob es pro Volumen
schwerer oder leichter ist als seine Umgebung. Ist es schwerer,
fällt es zurück, ist es leichter, wird es Auftrieb erfahren und
beschleunigt weiter aufsteigen. Wenn es gleich schwer ist, kann
es bleiben wo es ist. Das Gewicht der Luft pro Volumen, also
die Dichte, hängt bei gleichem Druck nur von der Temperatur ab:
Umso kälter die Luft ist, umso dichter ist sie. Wenn die
Temperatur nach oben schneller abnimmt, als die unseres durch
die Expansion abgekühlten Luftpakets, ist das Lufpaket stets wärmer
und leichter (weniger dicht) als seine Umgebung: Es steigt weiter
auf. Man nennt die Luftschicht dann labil geschichtet. Wird es nach
oben wärmer (oder nur ein wenig kälter), ist das Luftpaket durch
seine Expansion und Abkühlung kälter als die neue Umgebung und es
fällt wieder zurück. Die Schichtung heisst dann stabil.
Also: Nur wenn die Atmosphäre nicht allzu stabil geschichtet ist,
können überhaupt größere Vertikalbewegungen stattfinden. Das
ist in der Troposphäre immer mal wieder der Fall und deswegen ist
sie vertikal gut durchmischt. Aber die Stratosphäre ist durchweg sehr
stabil geschichtet und kein Luftpaket hat jemals die Chance schnell
aus der Troposphäre in die Stratosphäre aufzusteigen. Es kommt
hier unweigerlich in den Bereich der stabilen Schichtung und fällt
wieder zurück.
Dadurch ergibt sich eine effektive Trennung zwischen
der Troposphäre und der Stratosphäre. Nur in den Tropen können
troposphärische Luftmassen ganz langsam im Verlauf von Monaten in
die Stratosphäre aufsteigen. Die Luft an der extrem kalten
tropischen Tropopause wird nämlich langsam durch Strahlung (von
der Sonne und Wärmestrahlung von den viel wärmeren Luftschichten
weiter unten) aufgeheizt und können so allmählich immer weiter in
die Stratosphäre vordringen. Dieser Prozess dauert aber viele Monate.
Dabei durchqueren die Luftmassen die extrem tiefen Temperaturen der
tropischen Tropopause und es friert dabei praktisch der gesamte
Wasserdampf als kleine Eiskristalle (winzige Schneeflocken) aus der
Luft heraus. Was oben in der Stratosphäre ankommt, ist also extrem
trocken. Da alle Luftmassen in der Stratosphäre diesen Weg irgendwann
einmal hinter sich haben (einen anderen Weg in die Stratosphäre
gibt es ja nicht), ist die Stratosphäre super-extrem trocken. Wolken
gibt’s also da oben keine (Naja, im Winter in den Polarregionen
gibt’s schon manchmal welche, aber die bestehen zu einem guten Teil
aus Salpetersäure und gehören in eine ganz andere Geschichte …).
Ausserdem hat das, was wir so Wetter nennen, fast immer was mit sehr
dynamischen Vertikalbewegungen zu tun. Sowas gibt es in der stabil
geschichteten Stratosphäre ja auch nicht. Unser „Wetter“
mit Wolken, Regen, Gewittern, Frontensystemen usw. ist also auf
die Troposphäre beschränkt. Dafür haben Stratosphäre und Mesosphäre
wieder ihre eigene sehr interessante Dynamik, die natürlich auch
indirekt von unserem troposphärischen Wetter beeinflusst wird.
Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung von Stratosphäre und
Troposphäre kommt i.w. durch die intensivere Sonnenstrahlung in der
Stratosphäre. Die baut dort Substanzen ab, die in der Troposphäre
fast ewig leben, wie z.B. die FCKWs oder N2O. Die Abbauprodukte
dieser Stoffe machen dann in der Stratosphäre allerhand Chemie, die
in der Troposphäre nicht vorkommt. Dagegen schaffen viele kurzlebige
biogene Stoffe nicht den langen Weg in die Stratosphäre und kommen
daher dort oben nicht vor.
Mit einer Separation durch die Gravitation hat das übrigens gar
nichts zu tun. Obwohl die einzelnen Moleküle der verschiedenen
Bestandteile der Atmosphäre recht unterschiedlich schwer sind,
spielt das praktisch keine Rolle für die Zusammensetzung. In etwa
den unteren 100km der Atmosphäre sind alle langlebigen
Spurengase (also alle die, deren Konzentrationen nur unwesentlich
durch chemische Prozesse verändert werden) aufgrund der
atmosphärischen Dynamik gut durchmischt - wir wären sonst schon
längst alle in dem schweren CO2 erstickt, dass sich sonst ja hier
unten ablagern würde. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff
oder CO2 zu Stickstoff ist also in den unteren 100km überall
praktisch gleich, obwohl sowohl Sauerstoffmoleküle als auch
CO2 Moleküle schwerer als Stickstoffmoleküle sind. In der
Atmosphäre setzt sich nichts ab.
Viele Grüße,
Markus
