Die Hadley-Zelle
Die Hadley-Zirkulation ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphärischen Zirkulation. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Wärmeübertragung vom Äquator zu den mittleren Breiten.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation auf der Nordhalbkugel.B1
Aufbau und Dynamik
Die Hadley-Zirkulation (Abb. 1) ist ein großes Luftmuster, das den tropischen Bereich der Erde betrifft. Sie besteht aus Luftzellen, eine im Norden und eine im Süden der innertropischen Kovergenzzone (ITC für Inter Tropic Convergence). In der ITC, die mit dem Stand der Sonne wandert, wird die Luft durch die Einstrahlung der Sonne stark erwärmt. Diese warme Luft steigt auf, kühlt mit der Höhe ab und bewegt sich dann in der Höhe nach Norden und Süden. Schließlich sinkt sie in den Subtropen wieder ab und fließt zurück zur ITC.
Andere Merkmale der ITC sind eine hohe Tropopause von ca. 15 km und eine geringe Ozonkonzentration über der Tropopause in der unteren Stratosphäre.
Die einfallende Sonneneinstrahlung, die von der geografischen Breite abhängt, sorgt dafür, dass es ständig einen Temperaturunterschied zwischen den Äquatorregionen und den Polarregionen der Erde gibt. Zum Ausgleich findet ein nord-südlich bzw. süd-nördlich (meridional) verlaufender Energietransport statt, der sowohl über die Ozeane als auch über die Atmosphäre erfolgt. Beobachtungen zeigen, dass diese thermisch angeregte Zirkulation jedoch nicht von den Tropen bis zu den Polen reicht, sondern nur bis zu den Subtropen bei ca. 30° geographische Breite.
Im Bereich des Subtropen-Hochdruckgürtels sinkt trockene Luft ab (absteigender Ast der Hadley-Zelle) und fließt bodennah in den sogenannten Passatwinden zum Äquator. Dabei nimmt sie vor allem über den Ozeanen große Mengen an thermischer Energie in Form von Wärme auf. Im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne (ITC) wird sie durch Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen und kühlt sich dabei ab, was schnell zu Sättigung und anschließender Kondensation führt. Folglich ist der aufsteigende Ast der Hadley-Zelle durch starke Quellbewölkung und ergiebige konvektive Niederschläge geprägt (tropische Regenzone). In der Höhe fließt die Luft als polwärts gerichtete Höhenströme (Antipassate) zunächst meridional gerichtet ab. Durch die Corioliskraft werden diese mit wachsender Entfernung vom Äquator auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links zunehmend abgelenkt, bis sie im Bereich von 30° geographischer Breite zu einer zonal gerichteten Westströmung werden. Hier sinken die Luftmassen durch Abkühlung und Verdichtung infolge des verringerten Umfangs der Erde ab und bilden die subtropischen Hochdruckzellen. Die von ihnen Richtung äquatoriale Tiefdruckrinne strömenden Passate werden ebenfalls nach rechts bzw. links abgelenkt, sodass sie aus nord-/südöstlicher Richtung zum Äquator strömen. Da die Einstrahlung durch die Sonne sich mit den Jahreszeiten ändert, verschiebt sich auch die Position der Hadleyzelle im Jahresverlauf.
Ein großer Teil des meridionalen Temperaturgefälles wird innerhalb der Hadley-Zelle weitgehend abgebaut. Durch ihre Begrenzung erfolgt dieser Ausgleich jedoch nicht über die gesamte Hemisphäre, wodurch sich der Temperaturgegensatz der anschließenden Klimazone, der mittleren Breiten, auf einen relativ schmalen Bereich verdichtet. In dieser Zone findet der weitere meridionale Energietransport durch horizontale zyklonale (entgegen dem Uhrzeigersinn drehende) und antizyklonale (mit dem Uhrzeigersinn drehende) Wirbel statt, die durch die Instabilitäten der oberen Westwindströmung ausgelöst werden.
Die Ausweitung der Hadley-Zelle
Mehrere Studien haben eine Ausdehnung der Hadley-Zirkulation festgestellt (Abb. 2). Über die Größenordnung ist man sich dabei jedoch nicht einig. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen 0 und 2 Breitengrade pro Jahrzehnt.1 Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Hadley-Zirkulation in den letzten 40 Jahren vor allem auf der Nordhalbkugel polwärts um 0,1-0,5 Breitengrade pro Jahrzehnt ausgedehnt hat. Besonders war das im Sommer und Herbst der Fall.2 Studien, die sich auf dynamische Kriterien, d.h. auf die Zirkulation selbst, beziehen, haben festgestellt, dass die Ausdehnung auf der Nordhalbkugel schneller erfolgt als auf der Südhalbkugel. Auf der Nordhalbkugel wurde eine Ausdehnung von mehr als 2° pro Jahrzehnt beobachtet, während die der Südhalbkugel bei 1,3° liegt. Die expandierende Hadley-Zelle zeichnet sich dadurch aus, dass sich ihre Ränder polwärts verschieben. Da die Hadley-Zelle bestimmt, wie weit sich die Tropen ausdehnen, wird die Ausbreitung der Hadley-Zelle auch als Ausdehnung der Tropen bezeichnet.1
Abb. 2: Änderung der globalen Zirkulation durch den Klimawandel. Die roten Pfeile weisen auf die Erwärmung durch Treibhausgase (CO2) hin. Die orangenen Pfeile deuten die Ausweitung der Hadley-Zirkulation Richtung Pole und die Anhebung der Tropopause an.B2
Klimamodelle projizieren eine allgemeine Expansion auf der Südhemisphäre, aber regional unterschiedliche Muster in der Nordhemisphäre. Eine deutliche Mehrheit der Modellsimulationen zeigt, dass die globale Erwärmung zu einer Abschwächung der Hadley-Zelle führt und dass das auch in Zukunft der Fall sein wird. Große Unsicherheit besteht über den quantitativen Umfang dieser Abschwächung, der auf 0-4% geschätzt wird.3
Ursachen der Ausweitung der Hadley-Zelle
Trotz zahlreicher Untersuchungen gibt es immer noch keinen Konsens über die treibenden Mechanismen der Ausweitung der Tropen. Frühere Studien haben die Zunahme der Treibhausgas-Konzentration, die Ozonveränderung in der Stratosphäre und die Aerosol-Verbreitung als Hauptursache vorgeschlagen. Yang et al. (2023) sehen als wichtigen Faktor die Erwärmung des subtropischen Ozeans durch eine erhöhte Treibhausgaskonzentration.4 Die Erhöhung der langwelligen Strahlung durch die Zunahme von Kohlenstoffdioxid (CO2) ist hiernach in den Subtropen wegen des geringen Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und fast fehlender Wolken besonders stark. Das wurde durch Beobachtungen und zahlreiche Modellsimulationen bestätigt. Die Folge ist eine relativ starke Erwärmung des subtropischen Ozeans, wodurch sich der Temperaturgegensatz der Meeresoberflächentemperatur zwischen Subtropen und mittleren Breiten erhöht. Dieser meridionale Temperatur-Gradient verschiebt sich dabei Richtung Pol, was wiederum eine Expansion der Tropen bedeutet, die besonders ausgeprägt auf der ozeandominierten Südhalbkugel ist.4
Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor, besonders auf der Südhemisphäre, wird in der Zunahme der stratosphärischen Ozonzerstörung in den 1980er und den 1990er Jahren gesehen. Durch die Ozonzerstörung kühlt sich die untere Stratosphäre ab, insbesondere über den Polregionen. Dadurch entstehen starke Winde um die polare Zone herum, die eine meridionale Mischung der Luftmassen verhindern. Nach Modellsimulationen war die Folge für die Hadley-Zirkulation eine Ausweitung und eine leichte Intensivierung. Seit der allmählichen Wiederherstellung der Ozonschicht durch das Montrealer Protokoll5 wird der gegenteilige Effekt erwartet. Eine vorübergehende und den Treibhausgaseinfluss abschwächende Wirkung haben in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch die zunehmenden anthropogenen Aerosole auf die Hadley-Zirkulation ausgeübt. Die für das 21. Jahrhundert erwartete Abschwächung der anthropogenen Aerosolkonzentration wird daher besonders auf der Nordhalbkugel die Wirkung der Treibhausgase verstärken und zu einer Ausweitung der Hadley-Zirkulation Richtung Pol beitragen. Insgesamt wird dieser Effekt jedoch als relativ schwach eingeschätzt.3
Zusätzlich zu den anthropogenen Antrieben werden auch natürliche Klimaschwankungen als ein Faktor für die Ausdehnung der Hadley-Zelle gesehen. So dehnen sich die Tropen während einer La Niña-Phase aus und ziehen sich bei einem El-Niño-Ereignis zusammen. Über längere Zeiträume besitzt nach Grise et al. (2019) auch die Pazifische Dekaden Oszillation einen Einfluss auf die Hadley-Zelle. Um natürliche von anthropogenen Einflüssen zu unterscheiden, fehlen allerdings längere Beobachtungsdaten.6
Folgen
Der absteigende Zweig der Hadley-Zirkulation hat großen Einfluss auf das Klima und das trockene und regenarme Wetter in den Subtropen. Die polwärts gerichtete Ausdehnung der Hadley-Zelle könnte zu einer Ausdehnung dieser Trockengebiete in höhere Breiten führen. Z.B. wurden in Südaustralien, der Mittelmeerregion und Nordchina verringerte Niederschläge und häufigere Dürren beobachtet, die mit der Ausbreitung der Hadley-Zirkulation in den letzten Jahrzehnten in Zusammenhang gebracht wurden. Auch die in den letzten Jahren in Europa häufig auftretenden extremen Hitzewellen werden darauf zurückgeführt. Durch die Ausweitung der Hadley-Zirkulation kommt es auch zu einer Verschiebung der Westwinde und Tiefdruckbahnen der mittleren Breiten in Richtung Pol.1
Die bereits beobachtete Verschiebung der Tiefdruckbahnen bedeutet weniger Niederschläge in den Subtropen, wodurch häufiger Dürren in dicht besiedelten Regionen auftreten können. Ebenso können sich die subtropischen Wüsten polwärts ausdehnen und Waldbrände im Mittelmeerraum, Kalifornien oder Australien häufiger werden. Die Subtropen-Hochs über den Ozeanen sind durch hohen Salzgehalt, da in ihrem Bereich sehr viel Wasser verdunstet, und eine niedrige marine Bioproduktion gekennzeichnet. Eine Ausweitung der Hadley-Zellen bedeutet eine Expansion dieser Regionen. Auch die Entstehung tropischer Wirbelstürme könnte auf der Nordhalbkugel durch die Ausdehnung der Hadley-Zirkulation zukünftig weiter nördlich stattfinden,1 insbesondere im westlichen Nordpazifik.7 Als Folge sind von diesen Änderungen auch menschliche Siedlungen, die Landwirtschaft und die Wasserressourcen vor allem in den Subtropen betroffen. Besonders verletzlich sind semiaride Regionen wie der Mittelmeerraum, der Südwesten der USA, der Norden Mexikos, das südliche Afrika, südliche Australien und Südamerika.3
Ein besonders ausgeprägtes Beispiel für die Auswirkungen der Ausdehnung der Hadley-Zelle Richtung Pol ist das südliche Afrika. Die Region erhält ihre Niederschläge hauptsächlich im Winter durch Tiefdruckzellen der mittleren Breiten. Durch die Ausdehnung der Hadley-Zelle werden diese Tiefs nach Süden abgedrängt und der Westen Südafrikas gerät unter den Einfluss des subtropischen Hochdrucksystems, das die winterlichen Niederschläge reduziert. Das hat u.a. zu der extremen Dürre in der Region Kapstadt 2018 geführt.8 Satelliten- und andere Beobachtungsdaten haben gezeigt, dass die Kalahari-Wüste im Westen Südafrikas in landwirtschaftlich produktives Land nach Osten vordringt und sich das semiaride Klima im Innern Südafrikas in den letzten Jahrzehnten um 50.000 km2 ausgeweitet hat. Die Grenze zwischen semiariden und subhumiden Klimaverhältnissen hat sich dabei vom 25. zum 27. östlichen Längengrad bzw. um Hunderte von Kilometern verschoben. Das südafrikanische Hochland trocknet über weite Strecken aus.9
Einzelnachweise
1. Xian, T., J. Xia, W. Wei et al. (2021): Is Hadley Cell Expanding? Atmosphere. 2021; 12(12):1699
2. IPCC AR6, WGI (2021a): Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Ch. 2: Changing State of the Climate System, 2.3.1.4.1
3. Lionello, P., R. D’Agostino, D. Ferreira et al. (2024): The Hadley circulation in a changing climate. Ann NY Acad Sci., 1534, 69–93
4. Yang, H., G. Lohmann, X. Shi, J. Müller (2023): Evaluating the Mechanism of Tropical Expansion Using Idealized Numerical Experiments. Ocean-Land Atmos. Res. 2023;2: Article 0004
5. Umweltabkommen von 1987 zum Schutz der Ozonschicht. Vgl. den Wikipedia-Artikel Montreal-Protokoll
6. Grise, K. M., S.M. Davis, I.R. Simpson et al. (2019): Recent tropical expansion: Natural variability or forced response? J. Climate, 32, 1551–1571
7. IPCC AR6, WGI (2021b): Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Ch. 8: Changing State of the Climate System, 8.3.2.2
8. Daher, H., & B.P. Kirtman (2023): Future climate change in the Agulhas system and its associated impact on South African rainfall. South African Journal of Science, 119(7/8)
9. Jury, M.R. (2021): Spreading of the semi-arid climate across South Africa, Journal of Water and Climate Change 12, 8, 3734 doi: 10.2166/wcc.2021.187
Bildnachweise
B1. Originalbild des Klimawandel-Wiki (klimawiki.org), Lizenz: CC-BY-SA.
B2. Terzi, L., G. Wotawa, M. Schoeppner et al. (2020): Radioisotopes demonstrate changes in global atmospheric circulation possibly caused by global warming. Sci Rep 10, 10695
Lizenz: CC BY