Grundlagen der globalen atmosphärischen Zirkulation

In den tropischen Gebieten erfolgen aufgrund des steileren Einfallswinkels der Sonnenstrahlen ein höherer Energiegewinn und eine stärkere Erwärmung als in den höheren Breiten. Das Gebiet zwischen 37° s.Br. und 35° n.Br. ist daher durch eine positive Jahresnettostrahlung gekennzeichnet, während die polwärts liegenden Gebiete eine negative Bilanz aufweisen. Im Jahresmittel würde sich daraus ein Temperaturunterschied zwischen +39 °C am Äquator und - 44 °C an den Polen ergeben. Würde nicht ein großräumiger Wärmetransport zwischen den Gebieten mit Energieüberschuss und den Gebieten mit Energiemangel stattfinden, würden sich die Tropen fortgesetzt erhitzen und die Außertropen fortgesetzt abkühlen. Dieser Wärmetransport erfolgt durch Meeresströmungen sowie durch großräumige Luftmassenströmungen (Transport fühlbarer und latenter Wärme) innerhalb der Troposphäre. Der Luftdruck nimmt in einer kalten dichten Atmosphäre mit der Höhe schneller ab als in warmer Luft. In der Höhe herrscht deshalb über kalter Luft ein tieferer Druck als über wärmerer Luft in jeweils gleichem Höhenniveau. Dies gilt auch für die hoch reichende Warmluftsäule der Tropen und die weniger hoch reichende Kaltluftsäule der polaren Gebiete.

Zwischen der tropischen Warmluft und der polaren Kaltluft liegt ein Übergangsgebiet, das als planetarische Frontalzone bezeichnet wird. Innerhalb dieser Zone nimmt das Druckgefälle in der Höhe zu und damit auch die Geschwindigkeit der vom hohen zum tiefen Druck fließenden Luftmassen. Aufgrund der Temperaturgegensätze zwischen den äquatorialen und polaren Gebieten müsste eine direkte Zirkulation zwischen Äquator und Pol entstehen (Hadley-Zirkulation). Aufsteigende Warmluft am Äquator lässt ein Bodentief und ein Hoch in der Höhe entstehen. Die Warmluft strömt in der Höhe polwärts und kühlt sich dabei ab. Im Polargebiet müsste sie absinken und ein Tief in der Höhe und ein Bodenhoch entstehen lassen. Entlang der Erdoberfläche würde auf der Nordhalbkugel ein beständiger Nordwind wehen, auf der Südhalbkugel ein Südwind. Dass dies aber nicht so ist, wissen wir aus täglicher Erfahrung. Wo befindet sich also der Fehler in unseren Überlegungen? Wir haben bis jetzt die Erde als feststehend betrachtet. Die Erdrotation hat aber einen großen Einfluss auf die globale Zirkulation.

Wenn die Erde um ihre eigene Achse von West nach Ost rotiert, bewegt sich die Atmosphäre mit. Da sie am Äquator in der gleichen Zeit einen viel größeren Weg zurücklegen muss, als in den polnäheren Breiten, ist ihre Geschwindigkeit am Äquator (465 m/sec) viel größer als in den höheren Breiten (30° n.Br.: 403 m/sec). Wenn eine Luftmasse mit hoher Rotationsgeschwindigkeit aus Äquatornähe polwärts abströmt, trifft sie auf Gebiete mit geringerer Rotationsgeschwindigkeit. Aus Trägheitsgründen behält sie aber ihre hohe Rotationsgeschwindigkeit bei und bewegt sich damit schneller als die Erde sich unter ihr dreht, d.h. sie eilt der Erde ostwärts voraus. Es scheint, als sei sie auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt worden, auf der Südhalbkugel nach links. Die Ursache dieser Ablenkung wird nach dem französischen Mathematiker Coriolis (1792 -1843) als "Corioliskraft" bezeichnet. Es handelt sich aber nur um eine Geschwindigkeitsüberlagerung. Daraus ergibt sich das Windgesetz: Auf der Nordhalbkugel werden alle bewegten Luftmassen, in Bewegungsrichtung betrachtet, nach rechts abgelenkt; auf der Südhalbkugel nach links. Wie funktioniert nun aber der Wärmeaustausch zwischen den tropischen Gebieten und der nördlichen Polarzone, wenn die Warmluft vorher nach Osten "umgelenkt" wird und nie die polaren Gebiete erreicht? Von dem über den Tropen liegenden Höhenhoch strömt die Luft zum Höhentief in den nördlichen Breiten und wird nach Osten abgelenkt. Im Bereich der planetarischen Frontalzone weht der Wind am heftigsten. Hier entsteht der Strahlstrom (Jetstream: 100-600 km/h) in der Höhe. Diese starke Westströmung setzt sich bis nahe der Erdoberfläche durch.

Wenn große Temperaturunterschiede zwischen den Tropen und Polarregionen vorliegen (z. B. im Winter auf der Nordhalbkugel), wird der Jetstream in starke Wellenbewegungen versetzt. Dabei stoßen Kaltluftmassen weit nach Süden und Warmluftmassen weit nach Norden vor. Damit wird ein wesentlicher Teil des Wärmeaustausches realisiert. Allerdings sind im Jahresverlauf die Temperaturunterschiede nicht immer gleich groß. Im Nordsommer erhält z.B. der Nordpol täglich fast genauso viel Einstrahlung wie das Gebiet um den Äquator. Ist die Energiedifferenz gering, bildet sich vor allem ein breitenparalleler Westwind in den mittleren Breiten aus. In den polaren Gebieten entsteht aufgrund der starken Abkühlung über den Polen nahe der Erdoberfläche eine polare Ostströmung aus dem bodennahen Polarhoch. 

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