Energieverteilung und Zirkulation

Die unterschiedliche Sonneneinstrahlung, die die Erde je nach geographischer Breite empfängt, führt zu Luftdruckgegensätze und zu Ausgleichsströmungen. Die Rotation der Erde lenkt die Strömungen ab, wodurch ein recht komplexes Zirkulationsmuster entsteht.

Energieverteilung und Zirkulation

Die Atmosphäre empfängt je nach geographischer Breite eine sehr unterschiedliche Sonneneinstrahlung. Sie beträgt an der Obergrenze der Atmosphäre 420 Watt/m2 am Äquator und 180 Watt/m2 an den Polen, am Erdboden 220 Watt/m2 in den Tropen und 30 Watt/m2 (Arktis) bzw. 20 Watt/m2 (Antarktis) an den Polen. Aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlung werden die Luftmassen an den Polen deutlich weniger erwärmt als in den Tropen. Beiderseits des Äquators steigt die erwärmte Luft auf, an den Polen sinkt kalte Luft ab. Dadurch bildet sich in der äquatorialen Zone am Boden eine Tiefdruck- und in der Höhe (im oberen Bereich der Troposphäre) eine Hochdruckzone, an den Polen am Boden ein Hoch- und in der Höhe ein Tiefdruckgebiet. Zwischen hohen und niederen Breiten existiert demnach ein Luftdruckgradient, der Ausgleichsströmungen (Wind) verursacht. Würde sich die Erde nicht oder wie die Venus nur sehr langsam drehen (1 Venustag = 243 Erdentage), käme es zu einer Ausgleichsströmung vom Pol zum Äquator am Boden und vom Äquator zu den Polen in der Höhe. Die relativ schnelle Rotation der Erde wirkt auf die durch die Gradientkraft angetriebenen Luftströmungen ablenkend, auf der Nordhalbkugel in Windrichtung nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Und dadurch entsteht ein kompliziertes Zirkulationsmuster, das als allgemeine atmosphärische Zirkulation bezeichnet wird und aus zonalen Zellen und Fronten besteht.

Zellen und Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation
Abb.1:
Zellen und Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation1

Die Wirkung der Corioliskraft ist stärker in höheren als in niederen Breiten und nimmt außerdem mit der Windgeschwindigkeit zu. Das stärkste meridionale Temperatur- und Druckgefälle und damit die stärksten Ausgleichsströmungen finden sich zwischen dem 30. und 60. Breitengrad an der sogenannten Planetarischen Frontalzone um 10 km Höhe bzw. bei 300 bis 500 hPa, wo die durch den hohen Druckgradienten angetriebenen sogenannten Jet-Ströme aus einer Süd-Nord- in eine Ost-West-Richtung abgelenkt werden. Die Planetarische Frontalzone trennt die tropische Zirkulation, die sogenannte Hadley-Zelle, von der Polarzelle. Dazwischen liegt die eher schwach ausgebildete Zirkulation der Ferrel-Zelle. Die Hadley-Zelle ist die am stärksten ausgeprägte Zelle der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation. Sie erstreckt sich beiderseits des Äquators bis ungefähr zum 30. Breitengrad, den sogenannten Rossbreiten. In ihr steigt die in der äquatorialen Zone durch die Sonneneinstrahlung stark erwärmte Luft auf, strömt in der Höhe nach Norden und Süden, sinkt durch Abkühlung und Verdichtung in den Rossbreiten wieder ab und strömt über dem Boden als sogenannter Passatwind aufgrund der Erdablenkung aus nord- bzw. südöstlicher Richtung zum Äquator zurück. Der hohe Wasserdampfgehalt der äquatorialen Luft, die sich beim Aufsteigen abkühlt, bewirkt, dass es in den Tropen zu starker Wolkenbildung und heftigen und ergiebigen Niederschlägen kommt. In den Rossbreiten der Subtropen wird die ohnehin nur noch wenig feuchte Luft beim absinken erwärmt, was die hier herrschende Wolkenlosigkeit und Trockenheit (Wüstengürtel der Erde) erklärt.

Die wichtigsten Zirkulationszellen der Atmosphäre
Abb. 2:
Die wichtigsten Zirkulationszellen der Atmosphäre2

Anmerkungen:

1. Eigene Darstellung nach The Water Planet: Atmospheric Circulation; weather systems
2. Eigene Darstellung

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