Thema des Tages
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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 Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 06.11.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wissenschaft kompakt Der Geist in der Kasseopeia Ein geheimnisvoller Nebel im Sternbild Kassiopeia, aufgenommen mit einem Amateurteleskop südlich von Frankfurt. Doch nicht nur ein wolkenfreier Himmel ist Voraussetzung für solche Astrofotografien. Auch die Beschaffenheit der Atmosphäre spielt eine entscheidende Rolle. In der ersten Oktoberhälfte dominierten außergewöhnlich langanhaltende Hochdruckwetterlagen, die vielerorts noch nicht von Hochnebel geprägt waren. Das sorgte nicht nur für ein Plus bei der Sonnenscheindauer, sondern bescherte uns auch zahlreiche klare Nächte mit häufig trockener Luft. Die inzwischen wieder längeren Nächte boten damit ideale Bedingungen für die Astrofotografie. Das folgende Bild entstand mit einem Amateurgerät südlich von Frankfurt. Es zeigt den sogenannten ?Geist der Kassiopeia? (IC 59/IC 63). Die beiden Nebel befinden sich im Sternbild Kassiopeia, das aufgrund seiner charakteristischen Form auch als Himmels-W bekannt ist. Ihren Namen verdanken sie ihrem geisterhaften Aussehen. Sie bestehen aus interstellarem Gas und Staub, die vom hellen Stern Gamma Cassiopeiae angestrahlt werden. Dieser befindet sich nur wenige Lichtjahre von den Nebeln entfernt. Während IC 59 überwiegend das Licht des Sterns reflektiert und dadurch bläulich erscheint, handelt es sich bei IC 63 sowohl um einen Reflexions- als auch um einen Emissionsnebel. Hier wird zusätzlich Wasserstoff durch die intensive UV-Strahlung des Sterns ionisiert und zum Leuchten angeregt. Das dabei entstehende H-alpha-Licht sorgt für die charakteristische rötliche Färbung. Die gesamte Nebelregion ist etwa 500 bis 600 Lichtjahre von uns entfernt. Für die Aufnahme kam ein 10-Zoll-Newton-Teleskop auf einer sogenannten parallaktischen Montierung zum Einsatz. Diese gleicht die scheinbare Bewegung der Sterne aus, sodass auch lange Belichtungszeiten möglich sind. Als Kamera diente eine speziell gekühlte Astrokamera, die das Bildrauschen reduziert. Voraussetzung für ein solches Foto ist allerdings nicht allein ein wolkenfreier Himmel. Auf seinem Weg durch die Atmosphäre wird das Sternenlicht durch verschiedene Einflüsse abgeschwächt und verändert. Dabei spielen insbesondere die Lichtverschmutzung, die Transparenz der Atmosphäre und die Luftunruhe eine wichtige Rolle. Der wohl größte Störfaktor bei der Astrofotografie ist die Lichtverschmutzung. Durch künstliche Beleuchtung wird die Nacht zunehmend zum Tag. Das Licht wird an Luftmolekülen und Aerosolen in der Atmosphäre gestreut und hellt dadurch den Nachthimmel auf. Bei einem dunklen Himmel lassen sich mit bloßem Auge tausende Sterne erkennen und sogar die Milchstraße beobachten. In größeren Städten sind dagegen häufig nur noch die hellsten Sterne sichtbar. Viele Menschen, die in Ballungsräumen aufgewachsen sind, haben die Milchstraße deshalb noch nie mit eigenen Augen gesehen. Da unser Foto im lichtverschmutzten Rhein-Main-Gebiet entstanden ist, droht der lichtschwache Nebel im aufgehellten Nachthimmel zu verschwinden. Abhilfe schafft eine lange Gesamtbelichtungszeit: Dazu werden zahlreiche Einzelaufnahmen angefertigt und anschließend zu einem Bild zusammengerechnet. In diesem Fall wurden etwa 480 Einzelbilder mit jeweils 100 Sekunden Belichtungszeit aufgenommen. Für den roten Anteil des Nebels kam zusätzlich ein spezieller Linienfilter zum Einsatz, der vor allem das Licht des ionisierten Wasserstoffs durchlässt und einen Großteil des störenden Stadtlichts unterdrückt. Dafür wurden weitere rund zehn Stunden belichtet. Insgesamt ergibt sich so eine Belichtungszeit von mehr als 23 Stunden. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Transparenz der Atmosphäre. Bei hoher Luftfeuchtigkeit können sich Dunst oder Nebel bilden, die das Sternenlicht streuen und den Kontrast verringern. Auch Aerosole und feine Schwebeteilchen in der Luft können die Sicht auf lichtschwache Objekte beeinträchtigen. Besonders günstige Bedingungen herrschen daher bei einer möglichst klaren, aerosolarmen und trockenen Luftmasse. Nicht zuletzt deshalb befinden sich viele große astronomische Observatorien in trockenen Regionen, beispielsweise in Wüstengebieten. Eine trockene und transparente Atmosphäre ist allerdings noch keine Garantie für gute Beobachtungsbedingungen. Gerade bei hohen Vergrößerungen spielt die sogenannte Luftunruhe eine entscheidende Rolle. Dabei wird das Licht durch Turbulenzen in der Atmosphäre ständig unterschiedlich stark gebrochen und abgelenkt. Die Sterne scheinen dadurch zu funkeln. Im Teleskop beginnt das Bild zu flimmern und verliert an Schärfe. Astronomen bezeichnen diese Bildunschärfe als ?Seeing?. Eine Nacht kann somit einen sehr klaren Himmel bieten, aber aufgrund starker Luftunruhe trotzdem schlechte Bedingungen für astronomische Beobachtungen aufweisen. Um die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre zu umgehen, wurden Weltraumteleskope wie das Hubble- und das James-Webb-Weltraumteleskop außerhalb der Erdatmosphäre stationiert. Sie können das Universum ohne die durch Wolken, Aerosole und atmosphärische Turbulenzen verursachten Beeinträchtigungen beobachten. Zu Zeiten der chemischen Fotografie waren solche Aufnahmen vor allem großen Observatorien oder wenigen Spezialisten mit entsprechendem Aufwand vorbehalten. Durch die digitale Fotografie lassen sich heute auch mit vergleichsweise erschwinglichen Amateurgeräten erstaunliche Details sichtbar machen. Moderne, zunehmend auch durch künstliche Intelligenz unterstützte Bildverarbeitungsverfahren ermöglichen es zudem, Bildrauschen zu reduzieren, Helligkeitsgradienten zu korrigieren und die Bildschärfe zu verbessern. Selbst die Auswirkungen des astronomischen Seeings lassen sich durch spezielle Verfahren teilweise verringern. Die physikalischen Grenzen der Atmosphäre können sie allerdings nicht vollständig aufheben. (Das Bild zum heutigen Thema des Tages finden Sie wie immer im Internet unter www.dwd.de/tagesthema.) Dipl.-Met. Christian Herold Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 05.11.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst