Winde zirkulieren aufgrund der Rotation der Erde und der Energie der Sonne um den Globus.
Warum ist das wichtig? Die allgemeine Richtung der Winde variiert rund um den Globus, abhängig von Faktoren wie der geografischen Breite und der Nähe zu Ozeanen. Die Richtung des Windes in verschiedenen Ebenen der Atmosphäre bestimmt das lokale Klima und steuert Wettersysteme und Unwetter.
Ich sollte bereits vertraut sein mit: Temperaturgradient, Was treibt das Wetter an, Stabilität, Luftmassen, Konvergenz und Divergenz, Neigung und Breitengrad, Coriolis-Effekt, latente und fühlbare Wärme
Die Zirkulation des Windes in der Atmosphäre wird durch die Rotation der Erde und die einfallende Energie der Sonne angetrieben. Der Wind zirkuliert in jeder Hemisphäre in drei verschiedenen Zellen, die dazu beitragen, Energie und Wärme vom Äquator zu den Polen zu transportieren. Die Winde werden durch die Energie der Sonne an der Oberfläche angetrieben, da warme Luft aufsteigt und kältere Luft absinkt.
Abbildung A. Hadley-Zellen-Zirkulation.
Die Zirkulationszelle, die dem Äquator am nächsten liegt, wird Hadley-Zelle genannt. Am Äquator sind die Winde aufgrund des dort herrschenden schwachen horizontalen Druckgradienten schwach. Die warmen Oberflächenbedingungen führen zu einem lokalen Tiefdruckgebiet. Die warme Luft steigt am Äquator auf, erzeugt Wolken und verursacht Instabilität in der Atmosphäre. Diese Instabilität führt dazu, dass sich Gewitter entwickeln und große Mengen an latenter Wärme freisetzen. Latente Wärme ist lediglich die Energie, die von den Gewittern durch die Umwandlung von Wasserdampf in flüssige Wassertröpfchen freigesetzt wird, wenn der Dampf in den Wolken kondensiert, wodurch die umgebende Luft wärmer und feuchter wird, was im Wesentlichen die Energie zum Antrieb der Hadley-Zelle liefert.
Die Hadley-Zelle umfasst Breitengrade vom Äquator bis etwa 30°. In diesen Breitengraden führt der hohe Druck an der Oberfläche dazu, dass die Luft in Bodennähe divergiert. Dies zwingt Luft aus der Höhe herab, um die Luft, die vom Oberflächenhochdruck abweicht, „aufzufüllen“. Die Luft, die vom Äquator hoch oben in der Atmosphäre nach Norden strömt, ist warm und feucht im Vergleich zu der Luft in Polnähe. Dadurch entsteht ein starkes Temperaturgefälle zwischen den beiden unterschiedlichen Luftmassen und es entsteht ein Jetstream. In den 30° Breitengraden wird dieser Jet als subtropischer Jetstream bezeichnet, der sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre von Westen nach Osten fließt. Im Bereich des Oberflächenhochs, in dem sich viele Wüsten der Welt befinden, herrscht meist klarer Himmel.
Abbildung B. Allgemeine Windrichtungen. (Bild von der NASA).
Ab dem 30. Breitengrad kehrt ein Teil der Luft, die an die Oberfläche sinkt, zum Äquator zurück, um die Hadley-Zelle zu vervollständigen. Dadurch entstehen die Nordostpassate auf der Nordhalbkugel und die Südostpassate auf der Südhalbkugel. Die Corioliskraft wirkt sich auf die Richtung der Windströmung aus. Auf der Nordhalbkugel dreht die Coriolis-Kraft die Winde nach rechts. Auf der Südhalbkugel dreht die Corioliskraft die Winde nach links.
Vom 30. bis zum 60. Breitengrad übernimmt eine neue Zelle die Führung, die sogenannte Ferrel-Zelle. Diese Zelle erzeugt in diesen Breitengraden vorherrschende Westwinde an der Oberfläche. Das liegt daran, dass ein Teil der Luft, die bei 30° Breitengrad absinkt, weiter nach Norden in Richtung der Pole wandert und durch die Corioliskraft nach rechts (in der nördlichen Hemisphäre) gebogen wird. Diese Luft ist noch warm und nähert sich bei etwa 60° Breite der von den Polen herabströmenden Kaltluft. Mit den konvergierenden Luftmassen an der Oberfläche bewirkt der niedrige Oberflächendruck auf 60° Breite, dass die Luft aufsteigt und Wolken bildet. Ein Teil der aufsteigenden warmen Luft kehrt zum 30. Breitengrad zurück, um die Ferrel-Zelle zu vervollständigen.
Die beiden Luftmassen am 60. Breitengrad vermischen sich nicht gut und bilden die Polarfront, die die warme Luft von der kalten trennt. Die Polarfront ist also die Grenze zwischen warmen tropischen Luftmassen und der kälteren polaren Luft, die von Norden kommt. (Die Verwendung des Wortes „Front“ stammt aus der militärischen Terminologie; sie ist der Ort, an dem gegnerische Armeen in der Schlacht aufeinandertreffen.) Der polare Jetstream in der Höhe befindet sich über der Polarfront und fließt im Allgemeinen von Westen nach Osten. Der Polarjet ist im Winter wegen der größeren Temperaturkontraste am stärksten als im Sommer. Wellen entlang dieser Front können die Grenze nach Norden oder Süden ziehen, was zu lokalen Warm- und Kaltfronten führt, die das Wetter an bestimmten Orten beeinflussen.
Oberhalb von 60° Breitengrad zirkuliert die Polarzelle kalte, polare Luft äquatorwärts. Die Luft von den Polen steigt bei 60° Breitengrad auf, wo sich die Polarzelle und die Ferrel-Zelle treffen, und ein Teil dieser Luft kehrt zu den Polen zurück und vervollständigt die Polarzelle. Da der Wind von hohem zu niedrigem Druck fließt und unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Corioliskraft, sind die Winde oberhalb des 60. Breitengrades vorherrschende Ostwinde.
Walker-Zirkulation
Abbildung C. Walker-Zirkulation.
Im Gegensatz zur Hadley-, Ferrel- und Polarzirkulation, die in Nord-Süd-Richtung verlaufen, ist die Walker-Zirkulation eine Ost-West-Zirkulation. Über dem östlichen Pazifik verstärkt der Oberflächenhochdruck vor der Westküste Südamerikas die Stärke der östlichen Passatwinde in Äquatornähe. Die Winde wehen vom Hochdruck weg in Richtung niedrigeren Drucks bei Indonesien. Auftrieb, das Aufsteigen von kälterem Wasser aus der Tiefsee an die Oberfläche, tritt im östlichen Pazifik entlang Südamerikas bei Ecuador und Peru auf. Dieses kalte Wasser ist besonders nährstoffreich und wird von großen Fischpopulationen bevölkert. Im Gegensatz dazu ist das Wasser im westlichen Pazifik, in der Nähe von Indonesien, relativ warm. Die Luft über Indonesien steigt aufgrund des dort herrschenden Flächentiefs auf und bildet Wolken. Dadurch fallen über dem westlichen tropischen Pazifik das ganze Jahr über starke Niederschläge. Die Luft zirkuliert dann wieder in Richtung der Region über dem Oberflächenhoch bei Ecuador und dies wird zur Walker-Zirkulation. Die Luft sinkt an diesem Oberflächenhochdruck ab und wird von den starken Passatwinden aufgenommen, um den Zyklus fortzusetzen.
Abbildung D. El Nino.
Zuweilen schwächen sich die Walker-Zirkulation und die Passatwinde ab, so dass wärmeres Wasser in Richtung des östlichen tropischen Pazifiks nahe Südamerika „zurückschwappt“. Man kann sich das so vorstellen, als ob man einen Ventilator über eine Badewanne voller Wasser bläst. Wenn der Ventilator gleichmäßig bläst, wird sich das Wasser an der vom Ventilator am weitesten entfernten Seite im Wind auftürmen. Wenn Sie den Ventilator plötzlich verlangsamen, wird ein Teil des aufgestauten Wassers zum Ventilator zurückschwappen. Das wärmere Wasser wird die Bereiche des Auftriebs abdecken und den Nährstofffluss zu den Fischen und Tieren, die im östlichen Pazifik leben, unterbrechen. Diese Erwärmung des östlichen Pazifiks wird als El Niño bezeichnet. Das wärmere Wasser dient auch als Quelle für warme, feuchte Luft, die die Entwicklung von schweren Gewittern über den warmen Wassermassen begünstigen kann.
Was bedeutet das für die Landwirtschaft?
Veränderungen in der Hadley-Zelle und der Walker-Zirkulation können zu dramatischen Klimaschwankungen für viele Regionen führen. In einem El-Niño-Winter zum Beispiel verschiebt die Anwesenheit des warmen Wassers im östlichen Pazifik die Position des subtropischen Jets, was zu starken Regenfällen in Florida und Südgeorgien führt. Mehr darüber, wie sich El Niño und sein Gegenteil, La Niña, auf das Wetter im Südosten auswirken, erfahren Sie unter www.agroclimate.org, wo Sie die Unterschiede im Klima in verschiedenen Jahren je nach El Niño-Phase betrachten können.
Bei einer Erwärmung des Klimas könnte sich die Hadley-Zelle verlängern und das Klima in Regionen um 30° verändern. Zum Beispiel befinden sich viele Wüsten auf der nördlichen Hemisphäre um den 30. Breitengrad, und wenn die Hadley-Zelle an Länge zunehmen würde, könnte das dazu führen, dass sich trockene Bedingungen nördlich des 30. Letztendlich würde dies die Niederschlagsmuster vieler Regionen, einschließlich des Südostens, verändern.
Wollen Sie mehr erfahren?
Jet Streams, El Niño, La Niña, Severe Weather Hazards
Activities to accompany the information above:
Activity: Atmosphärische Prozesse – Konvektion (Link zur Originalaktivität).
Lehrer-Anleitung
Schüleraktivität: pdf-Dokument Word-Dokument
Beschreibung: Diese Aktivität zeigt mit Lebensmittelfarbe und heißem und kaltem Wasser, wie sich Strömungen durch Wasser bewegen. Damit wird simuliert, wie sich Luft als Flüssigkeit verhalten kann. Die Schüler verstehen den Prozess der Konvektion und wie Wärme durch diesen Prozess übertragen wird.
Bezüge zu Themen: Konvektion, Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre, Ozeanzirkulationen
Aktivität: Erneuerbare Energien: Wind (pdf-Version der Originalaktivität)
Beschreibung: Diese Aktivität konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Luftdruck, Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Die Schüler werden diese Parameter verwenden, um Oberflächenkarten der Vereinigten Staaten zu analysieren und eine Beziehung zu den Mustern herzustellen, die auf der Karte zu sehen sind.
Bezüge zu den Themen: Druck, Was treibt das Wetter an, Coriolis-Effekt, Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre