Allgemeine (planetarische) Zirkulation der Atmosphäre

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1 Allgemeine (planetarische) Zirkulation der Atmosphäre Meridionales Profil der Gesamtstrahlungsbilanz Erde-Atmosphäre Die innertropische Konvergenzzone (ITC) Die Passate der Nordhalbkugel und der Südhalbkugel laufen an der äquatorialen Tiefdruckrinne innerhalb einer 200 Km breiten Konvergenzzone, der innertropischen Konvergenzzone (kurz: ITC) zusammen. Die ITC bildet den meteorologischen Äquator. Hier stoßen die Passate der beiden Erdhalbkugeln aufeinander und werden dadurch zum Aufsteigen gezwungen. Die Passatinversion wird also durchbrochen und es kommt zu ausgiebigen Wolkenbildungen und Regenfällen, den bekannten

2 tropischen Gewittern. Die ITC wandert im Jahresverlauf mit den Gebieten der stärksten Erwärmung zusammen nach Norden und Süden, und ist somit auch von der Land- Wasserverteilung abhängig. Das Mittel der ITC liegt daher nicht am mathematischen Äquator, sondern bei etwa 5 Nord. Die Häufigkeit dieser Niederschläge ist entscheidend für das Klima und die Vegetation in dieser Zone. In Gebiete am Rand dieser Zone kommt die ITC oder auch nur Ausläufer von Ihr nur einmal innerhalb eines Jahres. Durch andere Gebiete, z.b. am Äquator zieht sie jedoch zwei Mal. Dadurch entstehen vom meteorologischen Äquator ausgehende Zonen abnehmender Niederschläge. Zwischen dem randtropischen Hochdruckgürtel und der äquatorialen Tiefdruckfurche besteht ein mit der Höhe abnehmendes Druckgefälle das durch die Passatwinde ausgeglichen wird. Diese wehen vom Hochdruckgürtel äquatorwärts und werden aber von der Coriolis-Kraft nach Westen abgelenkt. Es entsteht ein sehr gleichmäßig wehender Ostwind, der bis zu 10 Km mächtige Urpassat. In der durch die Bodenreibung beeinflußten Grundschicht, die ca. 0,5-2 Km mächtig ist, entstehen die Passate. Am Boden wird durch die Reibung die in den niederen Breiten ohnehin schwache Coriolis-Kraft abgeschwächt und die Passate werden stark in Richtung des Äquators abgelenkt. Die Passate sind vom Urpassat durch die Passatinversion abgetrennt. In den Ostwinden des Urpassates werden die äquatorwärts gerichteten Winde ausgeglichen. Hier überwiegt eine polwärts gerichtete Komponente. Es bildet sich eine innere, schraubenförmige, durch die Bodenreibung hervorgerufene Zirkulation innerhalb des Urpassates. Die Schrauben der beiden Erdhalbkugeln bilden an ihrer Berührungfläche den meteorologischen Äquator an dem die Luftmassen aufsteigen. Zusätzlich zu diesem sekundären Kreislauf, der als Hadley-

3 Zelle benannt ist, bildet sich eine weitere äußere Zirkulation. Außerhalb der Passatzirkulation wehen die Winde als Ausläufer der Westwindzone wieder mit einer polwärtigen Komponente, also als Westwinde. Diese Westwinde, teilweise auch Antipassate genannt, können über den Ozeanen in 8-15 Km Höhe bis an den Äquator reichen, und die Passatzirkulation teilweise sogar überlagern. Über dem randtropischen Hochgürtel gehen sie in die subtropischen Strahlenströme über. Sie sorgen für die Rückführung der Luftmassen, die sich ja sonst am Äquator stauen würden. Die Passate sind ausgesprochen trockene Winde. Das liegt zum einen daran, dass sie ihren Ursprung in den absteigenden also ausgetrockneten Luftmassen der Hochdruckgebiete haben, und zum anderen daran, daß sie auf ihrem Weg zum Äquator der Flächendivergenz unterliegen. Aufgrund der zum Äquator hin stattfinden Mediandivergenz haben die Passate immer mehr Fläche zur Verfügung können folglich absinken und trocknen dabei weiter aus. Die bodennahen Passate werden nach obenhin durch die Passatinversion vom Urpassat getrennt. Diese Inversion, die höheren Luftmassen sind wärmer als die darunter liegenden, verhindert zu dem ein Aufsteigen und somit ein Abregnen der Passate. Nicht umsonst liegen die großen Wüstengebiete der Welt innerhalb der Passatzone. Werden die Passate an orographischen Hindernissen oder aber am Äquator zum Aufsteigen gezwungen so kommt es zu ausgiebigen Niederschlägen. Die Westwindzone Die Westwindzone auch planetare Westwinddrift, zyklonale Westdrift und außertropische Westwindzirkulation genannt ist eine globale atmosphärische Windströmung. Sie tritt in den geografischen Mittelbreiten auf, also etwa von 35 bis 70 auf der Nord- sowie auf der Südhalbkugel der Erde. Besonders stark ist sie in den Breiten zwischen 45 und 55. In der Westwindzone herrschen Boden- und Höhenwinde aus Westen oder aus westlichen Richtungen vor, deren Luftmassen thermisch gemäßigt und relativ

4 feucht sind. Die Strömung ist allerdings nicht so gleichmäßig wie die der weiter in Richtung Äquator liegenden Passatwinde. Die mittlere Westwinddrift wird von verschiedenen Windrichtungen überlagert. Typische Merkmale dieser Zone sind das Auftreten von ausgedehnten Kalt- und Warmfronten sowie Wellenbewegungen unterschiedlicher Wellenlänge (barotrope und barokline Wellen, Rossby-Wellen); sie führen zur Ausbildung von Hoch- und Tiefdruckgebieten, die das Wettergeschehen in den mittleren Breiten bestimmen. Unter Baroklinität versteht man, dass Flächen gleichen Druckes (Isobaren) und gleicher Temperatur (Isothermen) nicht parallel zueinander liegen, also dass sich diese schneiden. Auf einer Temperaturfläche existiert daher ein Druckgradient und umgekehrt. Das Gegenstück zur Baroklinität ist die Barotropie. Alternativ kann man auch definieren, das in einer baroklinen Schicht der Druck eine eindeutige Funktion der Temperatur ist. In baroklin geschichteten Luftmassen führt das Auftreten von seitlich gerichteten, also horizontalen Kräften zur Ausbildung von Strömungen ebenso in horizontaler Richtung. Dies führt dazu, dass die Strömungen in Erdatmosphäre und Ozean horizontal nicht konstant sind. Eine barokline Schichtung gibt Anlass zur Zirkulationsbeschleunigung in Form von Zyklonen (wirbelförmige Strömungsfelder) und zu dynamischen Instabilitäten. Neben der allgemeinen meteorologischen Bedeutung spielte die Westwindzone auch für die Langstrecken-Frachtschifffahrt auf Segelschiffen eine große Rolle. Denn aufgrund der Westwindzone können Segelschiffe die Erde schneller und einfacher in West-Ost-Richtung als in der Gegenrichtung umfahren. So wurden etwa Australien und Neuseeland von Europa aus meist auf der Route um die Südspitze Südafrikas herum angelaufen, wohingegen die Rückkehr um die Südspitze Südamerikas (Kap Hoorn) erfolgte (sog. Clipper-Route). Zwar wurden 1869 mit der Eröffnung des Suezkanals und 1914 mit der Einweihung des Panamakanals wichtige Alternativrouten in Breitengraden geschaffen, in denen Winde in Ost-West-Richtungen vorherrschen. Mit der Einweihung des Panamakanals wurden sogar komplette Weltumrundungen in Äquatornähe in Ost-West-Richtung (sog. Passatroute) möglich. Dennoch blieb die Weltumsegelung in der Westwindzone, unter anderem aufgrund des größeren Erdumfangs am Äquator, die schnellste Route (siehe z. B. auch die moderne Vendée-Globe-Regatta). Ähnliche Auswirkungen hat die Westwindzone auf den Luftverkehr. Ein typisches Beispiel dafür ist ein Nonstopflug eines Düsenjets in Kilometern Höhe. Auf

5 dem Hinflug von Europa nach Amerika in Richtung Westen trifft das Flugzeug frontal auf bis zu 400 km/h schnelle Jetstreams, welche es um bis zu 100 km/h abbremsen. Auf dem Rückflug hingegen kann das Flugzeug durch den heftigen Rückenwind auf bis zu 1000 km/h beschleunigt werden. Dadurch entstehen Zeitunterschiede von etwa einer Stunde. Die Frontalzone Unter der Planetarischen Frontalzone versteht man den Bereich der Westwinddrift zwischen dem 30. und 60. Breitengrad. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der tropischen Warmluft und der polaren Kaltluft entsteht ein Gradientwind. Dieser wird durch die Corioliskraft nach Osten hin abgelenkt und wird somit zu einem Westwind. Sobald die stabile Westwindströmung mäandriert, kommt es zu verstärkter Frontenbildung