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