Globale atmosphärische Zirkulation

Die Sonne erwärmt die gesamte Erde. Die Verteilung dieser Wärme in den verschiedenen Breiten des Erdballs ist jedoch ungleichmäßig. Die tropischen Regionen um den Äquator erreicht weit mehr Sonnenenergie, als die mittleren Breiten oder die Polarregionen.

Die Tropen erhalten mehr Energie aus der Sonnenstrahlung, als sie wieder abgeben können. Umgekehrt strahlen die Polarregionen mehr Wärme ab, als sie erhalten. Würde kein Wärmeaustausch erfolgen, so würden die Tropen heißer und heißer werden, während es an den Polen kälter und kälter würde. Die ungleiche Wärmebilanz in verschiedenen Breiten treibt die Strömungen in Atmosphäre und Ozeanen an. Die Wärmeenergie wird von warmen zu kalten Regionen umverteilt, etwa 60% über atmosphärische Strömungen, etwa 40% über Ozeanströme.

Strömungsmuster aus dem Weltraum gesehen

1. Strömungsmuster drücken sich im Bild der Erde aus, das wir aus dem Weltraum sehen.

Atmosphärische Zirkulation

Eine Möglichkeit, den Wärmetransport vom Äquator zu den Polen zu erreichen, wäre die Ausbildung einer einzigen Strömungszelle. Die Warmluft würde über den Tropen aufsteigen, sich in der Höhe polwärts bewegen, dort absinken und im Ausgleich nahe der Erdoberfläche zum Äquator zurückströmen. Dieses einzellige Zirkulationsmodell wurde zuerst von Hadley im 17. Jahrhundert vorgeschlagen.

Luftzirkulation ohne Erdrotation

Luftzirkulation ohne Erdrotation

2. a+b Die Zirkulation auf einer hypothetischen nicht rotierenden Erde
H = high = Hoch, L = low = Tief
Quelle: Webseite des nationalen Wetterdienstes, Southern Regional Headquarters - US

Die weltweite Zirkulation wäre einfach und das Wetter eintönig, würde sich die Erde nicht drehen und ihre Achse nicht relativ zur Sonne geneigt sein.

Da die Erde aber rotiert und ihre Achse nicht genau senkrecht zur Richtung der Sonnenstrahlung steht, weil sich zudem noch mehr Landmasse auf der Nordhalbkugel als auf der Südhalbkugel befindet, sind die tatsächlichen weltweiten Strömungsmuster um einiges komplizierter. Anstelle einer einzigen Strömungszelle nimmt man im globalen Strömungsmodell deren drei an, jeweils für eine Halbkugel. Bei diesen drei Zellen handelt es sich um die tropische Zelle (auch Hadley Zelle genannt), die Zelle der mittleren Breiten und die polare Zelle.

idealisierte Strömungen der realen Erde

idealisierte Strömungen der realen Erde

3. a+b Die idealisierte Strömung auf unserer rotierenden Erde mit geneigter Achse
Quelle: Webseite des nationalen Wetterdienstes, Southern Regional Headquarters - US

1. Tropische Zelle (Hadley Zelle) - Die Luft bewegt sich von niedrigen Breiten (Hochdruckgebiete über dem Wüstengürtel) an der Erdoberfläche in Richtung des Äquators, wird in der Äquatorregion durch die Erwärmung nach oben transportiert und strömt in der Höhe wieder polwärts zurück, um aber schon über dem Wüstengürtel abzusinken. Diese Strömungszelle (Konvektionszelle) bestimmt tropische und subtropische Klimate.
2. Zelle der mittleren Breiten (Ferrel Zelle) - Die Zirkulationszelle der mittleren Breiten wurde im 19. Jahrhundert nach Ferrel benannt. In diesen Zellen fließt die Luft an der Erdoberfläche in Richtung der Pole und ostwärts, d.h. der Wind kommt aus Westen (-> Westwinde unserer Breiten = westerlies). In der Höhe aber fließt er wieder in Richtung Äquator und westwärts zurück.
3. Polare Zelle - Luft steigt auf, läuft auseinander und fließt in Richtung der Pole. Über den Polen sinkt sie wieder ab und sorgt für ein polares Hochdruckgebiet. An der Erdoberfläche strömt die Luft von den Polen ausgehend zurück. Die Oberflächenwinde in den polaren Zellen kommen aus östlicher Richtung (polare Ostwinde = polar easterlies)..

Das dreizellige Modell ist für eine erste Beschreibung hinreichend, wenn auch noch relativ stark vereinfacht. Wir wissen z.B., dass wir in unseren Breiten bei weitem nicht nur Westwinde haben. Es ist jedoch ein guter Ausgangspunkt für das:

Oberflächenschema der globalen atmosphärischen Zirkulation

Haupt-Windgürtel:
Auf der Nordhalbkugel lenkt die Corioliskraft (Erdrotation) alle Strömungen nach rechts ab, so dass in allen drei Zellen die Strömungsrichtung eine Rechtskurve beschreibt. Dies führt zu den drei Haupt-Windgürteln an der Oberfläche in jeder der beiden Hemisphären:
· Die östlichen Passatwinde (engl.: trade winds) in den Tropen
· Die vorherrschenden Westwinde in mittleren Breiten
· Die polaren Ostwinde

Doldrums, ITCZ:
Als Doldrums bezeichnet man die windarme Region in der Nähe des Äquators, wo sich die Passatwinde der Nord- und der Südhalbkugel treffen. Hier befindet sich die sogenannte innertropische Konvergenzzone (ITCZ - intertropical convergence zone). Feucht-heißes Wetter bestimmt diese Region in der auch die tropischen Regenwälder lokalisiert sind. Sie wandert im Januar nach Süden im Juli nach Norden.

Rossbreiten:
Als Rossbreiten (horse latitudes) bezeichnet man die Region zwischen Passatwinden und Westwindgürtel. Die Winde sind hier schwach, es ist die heiße Zone der Wüsten. Der Name stammt daher, dass Segelschiffer hier oft ihre Pferde über Bord gehen lassen mussten, da es an Wasser und Futter mangelte, wenn man ohne Wind nicht voran kam.

Polarfront:
Die Polarfront liegt zwischen den polaren Ostwinden und der Westwind-Zone.

globale Zirkulation

4. Die globale Zirkulation
Quelle: San Francisco State University (SFSU) Webseite

Druckgürtel:
Mit dem Modell der drei großen Zirkulationszellen sind die folgenden Druckgürtel verbunden:
· Äquatoriales Tief - Ein Ring niedrigen Drucks an der innertropischen Konvergenzzone. Hier steigt die am Äquator aufgeheizte feuchte Luft auf und bildet dadurch ein Tiefdruckgebiet am Boden aus. Während des Aufsteigens der Luft kondensiert diese zu Wolken und sehr oft gibt es relativ starken Regen (tropische Regenwälder).
· Subtropisches Hoch - Ein Ring von Hochdruckgebieten ist mit der über den Rossbreiten absinkenden Luft verbunden. Die Luft kühlt in der Höhe ab und sinkt zu Boden, wo sie eine Zone hohen Drucks erzeugt mit klarem Himmel und sehr wenig Regen. Man spricht auch vom subtropischen Hoch. Die absinkende Luft ist trocken und führt zur Wüstenbildung.
· Subpolares Tief - Ein Gürtel von Tiefdruckgebieten die mit der Polarfront verbunden sind.
· Polares Hoch - Ein Hochdruckgebiet, das durch das Absinken dichter Kaltluft über den Polen erzeugt wird.

Diese Beschreibung gibt nur die vorherrschenden Strömungen wieder. In Realität sind die Winde nicht stetig und die Druckzonen nicht ortsfest.

ideale und reale Druckgürtel der Erdbreiten

5. a) "Ideale" Druckgürtel der Erdbreiten. Eine idealisierte Erde mit gleichmäßig erwärmter gleich beschaffener Oberfläche würde auch gleichförmige Druckgürtel erzeugen. Aber nicht nur Erdrotation und die Neigung der Erdachse sind entscheidend.
5. b) "Reale" zonale Druckverteilung. Auf der realen Erde ist die Oberfläche nicht gleichförmig, sondern durch einen Wechsel von Ozeanen und Landmassen mit verschiedenen Eigenschaften hinsichtlich der Energieaufnahme und Erwärmung geprägt. Dies zerstört das einfache Schema der Druckzonen und führt zu einem Gefüge von nur teilstabilen Hoch- und Tiedruckgebieten, wie wir sie gerade in den mittleren Breiten erleben.

Fassen wir Hauptgründe für die Verschiedenartigkeit von globalen Strömungen und Druckzonen zusammen:
- Die Oberfläche der Erde ist nicht einheitlich oder glatt. Ungleichmäßige Erwärmung infolge des Wechselsspiels von Land und Wasser findet statt.
- Der Wind selbst kann instabil werden und lokale Strömungen und Turbulenzen ausbilden, in der Fachsprache als "Eddies" bezeichnet.
- Die Erde dreht sich um die eigene Achse und lenkt den Wind ab (Coriolis-Kraft).
- Da die Erdachse geneigt ist, verbleibt das Maximum der Sonnenstrahlung nicht über dem Äquator, sondern wandert über das Jahr hinweg zwischen dem nördlichen Wendekreis (23,5 ° N) und dem südlichen Wendekreis (23,5° S).

Infolgedessen gibt es semi-permanente (also nicht konstante, sondern wandernde) Hoch- und Tiefdruckgebiete. Sie variieren in ihrer Stärke und Lage über das Jahr hinweg. Aber es gibt durchaus relativ stabile Muster:

Winter
· Polares Hoch über Sibirien und Kanada
· Pazifisches Hoch und Azoren-Hoch (Teile des subtropischen Hochdrucksystems) Aleuten-Tief und Island-Tief

Sommer
· Das Azoren-Hoch wandert westwärts, intensiviert sich und wird zum Bermuda-Hoch
· Das Pazifik-Hoch wandert westwärts und intensiviert sich
· Polare Hochs werden durch niedrigeren Druck ersetzt.
· Hitze-Tiefs bilden sich über Südasien

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Compiled by Vera Schlanger – Hungarian Meteorological Service
Last updated: 2003-11-17

Sist endret: lørdag, 20. juni 2020, 22:53