Windsysteme der Erde - Atmosphärische Zirkulation

Unter der atmosphärischen Zirkulation werden alle großräumigen Luftbewegungen in der Atmosphäre verstanden. Hierzu zählen alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde.

Im weiteren Sinne umfasst die atmosphärische Zirkulation alle Windsysteme auf der Erde. Alle großräumigen Winde sind in dieses System eingebunden.

Sie ist vor allem ein Modell auf globaler Skala. Lokale Windphänomene wie See- und Landwind oder das Mikroklima werden dagegen nicht berücksichtigt.

In unseren Breiten kommen die Winde meist aus westlicher Richtung. Wir leben in der sogenannten Westwindzone. Die warmen Passatwinde wehen dagegen zuverlässig aus östlicher Richtung in Richtung Äquator. Die polaren Ostwinde transportieren eisige Luftmassen vom Pol zum Polarkreis.

Grundvoraussetzung für die atmosphärische Zirkulation sind erst einmal Luftbewegungen. Wind ist bewegte Luft und entsteht hauptsächlich, um Luftdruckunterschiede auszugleichen. Großräumig geschieht dies zwischen Hoch- und  Tiefdruckgebieten in der Atmosphäre.

Druckgebiete wiederum kommen durch die unterschiedliche Einstrahlung der Sonne zustande. Warme Luft ist leichter und steigt deshalb nach oben. Dadurch sinkt der Luftdruck am Boden. Kalte Luft dagegen ist dichter und schwerer, sie sinkt ab. So entsteht in Bodennähe hoher Luftdruck.

Auf der Erde gibt es mehrere große Windströmungen. Sie verhindern, dass die äquatornahen Gebiete immer wärmer und die Polargebiete immer kälter werden. Die beiden wichtigsten Windsysteme der Erde sind die Passatwinde in den Tropen und die Westwinde in den gemäßigten Breiten.

Durch dieses thermische Ungleichgewicht entstehen die globalen Windsysteme. Die Sonneneinstrahlung ist am Äquator viel stärker als an den Polen. Hinzu kommt die Erdrotation, die die Winde ablenkt.

Die starke Erwärmung der äquatornahen Gebiete führt dazu, dass die Luft großräumig aufsteigt. Dadurch entsteht an der Erdoberfläche ein Tiefdruckgebiet, in das von den Polen her beständig Luft nachströmt.

Die über dem Äquator aufsteigende Luft führt dazu, dass sich in den höheren Schichten ein Hochdruckgebiet bildet. Von dort strömen die Luftmassen wieder in Richtung der Pole ab.

Würde sich die Erde nicht drehen, so würde sich ein geschlossener Kreislauf bilden, in dem die Luftmassen an der Erdoberfläche zum Äquator strömen, dort aufsteigen und in den höheren Schichten wieder zu den Polen fließen.

Von dort aus würden die Luftmassen aufgrund der Abkühlung wieder absinken und sich ein Hochdruckgebiet bilden. Das Ergebnis wäre ein einziges riesiges Zirkulationssystem, in dem der Luftmassenaustausch entlang der Längengrade stattfindet.

Da sich die Erde dreht, werden diese Winde durch die Corioliskraft abgelenkt. Die Luftströmungen werden so auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links umgelenkt. Dadurch erreicht die Luft die Pole nicht und sinkt ab.

Auf der Erde bilden sich in anderen Regionen Tief- und Hochdruckgebiete, wie beispielsweise der sogenannte subtropische Hochdruckgürtel. Es entstehen viele Windsysteme, um das thermische Ungleichgewicht auszugleichen. Diese ergeben ein komplexes Windsystem.

Am Äquator ist die Sonneneinstrahlung am höchsten, dort steht die Sonne zweimal im Jahr im Zenit. Auch zwischen Sommer- und Wintersonnenwende steht sie sehr hoch über dem Horizont. Die erwärmte Luft steigt dort ständig auf und es entstehen viele Tiefdruckgebiete, die mehr oder weniger miteinander verbunden sind. Sie bilden eine Tiefdruckzone rund um den Äquator. Diese wird auch Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) genannt.

Im Bereich dieser Tiefdruckrinne strömen die Passatwinde, genau genommen der Nordost- und der Südostpassat, am Boden zusammen. Die hochsteigende, erwärmte Luft erhält dadurch einen zusätzlichen Auftrieb.

Die am Äquator aufsteigende Luft sammelt sich in der oberen Troposphäre und bildet dort ein Hochdruckgebiet.

Durch die Neigung der Erdachse ist die Sonneneinstrahlung im Jahresverlauf immer an einem anderen Ort am höchsten. Die ITCZ wandert daher im Jahresverlauf zwischen nördlicher Breite (N) und 23.5 südlicher Breite (S). Dadurch entstehen auch die Jahreszeiten.

An den Polen ist die Sonneneinstrahlung am geringsten. Dort erwärmt sich die Luft im Sommer nur wenig. Da die Luft kälter und schwerer ist, entstehen dort umfangreiche Hochdruckgebiete.

Die Folge ist ein großer Temperaturunterschied zwischen den Äquatorregionen und den Polen. Dasselbe gilt für den Luftdruckunterschied. Diese Wärmeüberschüsse und -defizite werden durch Ausgleichsströmungen aufgehoben.

Die Corioliskraft bewirkt letztlich, dass sich jeweils auf der Nord- und Südhalbkugel mehrere Zirkulationssysteme oder große Zellen ausbilden. Diese Zellen stellen einen in sich abgeschlossenen Kreislauf von aufsteigender und absinkender Luft dar.

Genauer gesagt gibt es drei Zirkulationssysteme:

Die Hadley-Zelle oder Hadley-Zirkulation befindet sich jeweils zwischen 0° und 30° nördlicher beziehungsweise südlicher Breite. In Äquatornähe steigt die Luft auf. Am Boden herrscht niedriger Druck, in der Höhe hoher Druck. An der Grenze zur Tropopause, die eine Inversion darstellt, muss die Luft nach Norden oder Süden als horizontale Höhenströmung ausweichen. Auf ihrem Weg zu den Polen kühlt sich die Luft weiter ab.

Da kalte Luft schwer ist, verliert sie an Höhe. Die Luftschicht sinkt ab. Bei etwa 30° nördlicher und 30° südlicher Breite sinkt sie großräumig, erwärmt sich und trocknet aus. Wegen des hohen Luftdrucks in diesen Breiten spricht man auch vom subtropischen Hochdruckgürtel.

Die Luft in diesem Hochdruckgürtel beziehungsweise -gebiet strömt als Passatwind in Richtung Äquator zum niedrigeren Luftdruck zurück, da sich die Druckunterschiede ausgleichen. Dadurch formiert sich eine geschlossene Zirkulation. Außerdem treffen die Luftströmungen aus Norden und Süden am Äquator wieder aufeinander, wodurch die Luft zum Aufsteigen gezwungen wird.

In der Höhe wehen die sogenannten Antipassate. Sie bewegen sich genau entgegengesetzt zu den bodennahen Passaten.

Passatwinde sind sehr beständige Ostwinde, die sich auf ihrem Weg zum Äquator erwärmen und über dem Meer Wasserdampf aufnehmen. Beim Aufsteigen der Luftmassen über dem Äquator bilden sich dadurch mächtige Wolken, die regelmäßig mit heftigen Niederschlägen verbunden sind.

Die Polarzelle liegt zwischen 60° nördlicher sowie südlicher Breite und dem Nord- beziehungsweise Südpol. Über den Polargebieten (bei 90° nördlicher und südlicher Breite) sinken kalte, trockene Luftmassen ab. Dadurch steigt der Luftdruck am Boden. In der Höhe herrscht tiefer Luftdruck. Man spricht hier auch von einem Kältehoch.

In Bodennähe strömen diese Luftmassen wieder in Richtung Äquator, wo der Luftdruck niedriger ist als an den Polen in Bodennähe. Die Luftströmung wird jedoch durch die Corioliskraft nach Westen abgelenkt. Diese Winde werden auch polare Ostwinde genannt. Um den 60. Breitengrad haben sich die polaren Ostwinde ausreichend erwärmt. Dadurch steigen sie wieder auf. In der Höhe kühlen sie sich allmählich ab, beginnen wieder zu sinken und strömen zurück in die Polargebiete. Es bildet sich ein geschlossenes Zirkulationssystem.

Die Ferrel-Zelle befindet sich jeweils zwischen 30° und 60° nördlicher beziehungsweise südlicher Breite. Sie wird von den angrenzenden Zirkulationssystemen angetrieben. Sie verbindet die tropische Hadley-Zelle mit der Polarzelle und wird auch als die außertropische Zirkulation bezeichnet.

Da die Luft bei etwa 60° nördlicher und südlicher Breite aufsteigt und bei 30° nördlicher sowie südlicher Breite Luft absinkt, bildet sich im Zwischenbereich eine im Kreis geschlossene Strömung. Auf ihrem Weg zu den Polen wird die Luftströmung durch die Corioliskraft immer stärker abgelenkt, sodass aus dem ursprünglich nördlichen Wind auf der Nordhalbkugel ein Westwind wird. Auf der Südhalbkugel wird der zum Südpol gerichtete Wind ebenfalls als Westwind abgelenkt.

Das Gebiet zwischen dem subtropischen Hochdruckgürtel und etwa 60° nördlicher und südlicher Breite wird daher als Westwindzone bezeichnet. Die mittleren Breiten liegen also im Einflussbereich der Westwinde.

In der Westwindzone treffen die warmen Luftmassen aus den Subtropen auf die kalte Luft, die von den Polen heranströmt. Die Front zwischen diesen Luftmassen ist sehr instabil und es kommt daher ständig zu Verwirbelungen, in deren höheren Schichten sich der Polarfront-Jetstream bildet.

Aus diesen Verwirbelungen entstehen die Tiefdruckgebiete, die das Wettergeschehen in den gemäßigten Breiten wesentlich beeinflussen. Sie werden durch den Jetstream verstärkt. Außerdem findet über diese Wirbel der Luftaustausch zwischen der kalten Polarluft und der warmen subtropischen Luft statt.

Die Corioliskraft ist der Hauptfaktor dafür, dass sich mehrere gürtelförmig angeordnete Windsysteme ausbilden und kein meridionales Zirkulationssystem. Diese werden daher auch als Windgürtel der Erde bezeichnet.

Aus den drei oben beschriebenen globalen Zirkulationssystemen ergeben sich drei globale Windzonen. Diese sind auf jeder Hemisphäre gleich, da die Einteilung immer vom Äquator aus erfolgt.

Nahezu windstill ist es in Äquatornähe zwischen dem 10. südlichen und dem 10. nördlichen Breitengrad. Diese Zone wird auch Kalmen (Windstillen; von französisch calme‚ Flaute, Stille) genannt. Ein weiterer nahezu windstiller Gürtel, die sogenannten Rossbreiten, schließt sich an die Zone der Passatwinde polwärts der subtropische Hochdruckgürtel bis zur Westwindzone an, also zwischen 25° und 35° nördlicher sowie südlicher Breite. Dort befinden sich stabile Hochdruckgebiete (zum Beispiel das Azorenhoch). Hier treten schwache Winde aus verschiedenen Richtungen auf und oftmals herrscht Windstille.

Der außergewöhnliche Name stammt wahrscheinlich von spanischen Seefahrern, die ihre Kolonien in Amerika mit Pferden versorgten. Gerieten sie in eine Flaute, mussten viele Pferde verhungern und wurden über Bord geworfen. Die Zirkulationssysteme sind nur eine vereinfachte Darstellung. Sie hilft, die Entstehung der Winde und die Anordnung der Luftströmungen besser zu verstehen.

Tatsächlich können Luftdruck und Winde täglich, jahreszeitlich und auch geographisch größeren Schwankungen unterliegen, die von diesem Modell abweichen.

Die Klimazonen der Erde sind auch durch die atmosphärische Zirkulation entstanden. Man unterscheidet grob:

Die klimatischen Bedingungen auf der Erde hängen entscheidend von der atmosphärischen Zirkulation ab, zum Beispiel die Lage der feuchten Tropen oder der gemäßigten Zone mit ihren regenbringenden Tiefdruckgebieten. Schon geringe Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation können die Niederschlagsverteilung und die Temperaturverhältnisse in bestimmten Regionen deutlich verschieben.

Die atmosphärische Zirkulation wird hauptsächlich durch den Temperaturunterschied zwischen den Tropen und den Polen gesteuert. Nimmt dieser Temperaturunterschied zu oder ab, so beeinflusst dies auch die Windsysteme der Erde. Die globale Erwärmung als Folge des vom Menschen verursachten Klimawandels verändert mit hoher Wahrscheinlichkeit die atmosphärische Zirkulation.

Forscher beobachten, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Äquator und den Polen in der unteren Atmosphäre abnimmt. Das liegt vor allem daran, dass die Durchschnittstemperaturen in der Arktis gestiegen sind. In der Antarktis ist dieser Trend nur in einigen Gebieten zu beobachten.

Die Arktis erwärmt sich aufgrund der Eisschmelze und der damit verbundenen positiven Rückkopplung deutlich schneller als die Äquatorregion. Dadurch nimmt der Temperaturgegensatz zwischen Arktis und Äquator in der unteren Atmosphäre ab. Dieses Temperaturgefälle dient jedoch als Antrieb für die atmosphärische Zirkulation.

Allerdings haben Forscher herausgefunden, dass in Höhen über 5 Kilometern keine Verringerung des Temperaturgefälles zu beobachten ist. Im Gegenteil - in großen Höhen über dem Äquator nimmt der Temperaturunterschied in etwa 10 Kilometern Höhe sogar zu.

Von dieser Entwicklung geht beispielsweise auch der Weltklimarat (IPCC) in seinem jüngsten Bericht aus. Wie sich der Jetstream in Zukunft verhält und ob er sich abschwächt, lässt sich also nicht mit Sicherheit sagen. Mehr dazu in unserem Video:

Neben dem veränderten Temperaturgefälle zwischen den Polen und den Tropen gibt es noch eine Vielzahl weiterer Faktoren, die die Stärke und den Verlauf des Jetstreams beeinflussen können. Simulationen von Klimamodellen können helfen, die komplexen Zusammenhänge in der Atmosphäre nachzuvollziehen. Sie können auch zukünftige Szenarien berechnen.

Klimaforscher haben Hinweise darauf gefunden, dass sich das Zirkulationssystem in den Tropen in den vergangenen Jahrzehnten verändert hat. Diese Veränderungen sind jedoch schwer abzuschätzen und nicht eindeutig auf den Klimawandel zurückzuführen.

Mithilfe von Radiosonden konnte nachgewiesen werden, dass sich die tropische Zone mit einer hohen Tropopause von mehr als 15 Kilometern zwischen 1979 und 2005 um 5 bis 8 Breitengrade ausgedehnt hat. Ebenso ist die Tropopause in den Tropen leicht angestiegen. Man kann also von einer Ausdehnung der Hadley-Zelle sprechen.

Studien haben gezeigt, dass sie sich um 2 bis 4,5 Breitengrade ausgedehnt hat. Andere Studien gehen von 1 bis 3 Breitengraden pro Hemisphäre seit 1979 aus.

Der jüngste IPCC-Bericht kommt nach Auswertung mehrerer neuerer Studien zu dem Schluss, dass sich die Hadley-Zirkulation in den vergangenen 40 Jahren um 0,1 bis 0,5 Grad pro Jahrzehnt ausgedehnt hat. Diese Ausdehnung ist vor allem auf eine Verschiebung der Nordgrenze in Richtung Nordpol zurückzuführen. Gleichzeitig hat sich die Hadley-Zirkulation verstärkt.

Diese Untersuchungsergebnisse sprechen jedoch nicht für eine kontinuierliche Veränderung im Zuge des Klimawandels. Auch natürliche Jahrhundertschwankungen können für die Veränderung der Hadley-Zirkulation verantwortlich sein. So verschob sich der nördliche und südliche Rand der Zirkulation von den 1870er bis in die 1920er Jahre in Richtung Äquator, wodurch sich das Ausmaß der Hadley-Zirkulation verringerte. Erst seit Ende der 1970er Jahre ist eine deutliche Ausdehnung der Zirkulation zu erkennen.

Die äußeren Ränder des Tropengürtels stellen die subtropischen Trockengebiete dar. Mit der Ausdehnung der Hadley-Zelle wandern sie polwärts. Dies hat gravierende Auswirkungen auf die Niederschlagsverteilung und damit auf die Wasserressourcen.

Die Ausdehnung der Hadley-Zirkulation kann das Azorenhoch oder allgemein die subtropischen Hochdruckgebiete verstärken. Gebiete in ihrem Einflussbereich sind von längeren Trockenperioden betroffen, die Dürregefahr steigt.

Besonders betroffen wären die semiariden Regionen des Mittelmeerraums, der Südwesten der USA, Nordwest-Mexiko, Südaustralien, Südafrika und Teile Südamerikas. (Als semiarid wird ein trockenes Klima mit Jahresniederschlägen zwischen 25 und 50 Zentimetern bezeichnet.)

Anders sieht es für die Gebiete am Südrand der Trockenzonen aus, zum Beispiel in der südlichen Sahara und den angrenzenden Gebieten weiter südlich. Dort könnte es nach Klimamodellen feuchter werden.

Da sich die Passatinversion nach Norden verlagert, kann beispielsweise der westafrikanische Monsun stärker auf den afrikanischen Kontinent übergreifen und mehr Regen bringen.

Dadurch verändert eine ausgedehnte Hadley-Zelle die regionalen Niederschlagsmuster. In einigen Gebieten droht Wasserknappheit, in anderen kann es zu Überschwemmungen durch intensivere Niederschläge kommen.

Eine veränderte Hadley-Zirkulation kann sich bis in die mittleren Breiten auswirken. Ist sie ausgedehnter, dann dehnen sich die subtropischen Hochdruckgebiete nach Norden aus. Dies kann die Westwinde in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre abschwächen oder die Westwindzone insgesamt weiter nach Norden verlagern.

Die Folge können geringere Niederschläge in den Übergangszonen zwischen Subtropen und mittleren Breiten, zum Beispiel im Mittelmeerraum, sein. In den höheren Breiten, wie in Nordeuropa, können die Niederschläge zunehmen.

Unter Meeresströmungen versteht man starke und beständige horizontale und vertikale Transporte von Wassermassen. Diese werden einerseits durch die Gezeiten angetrieben, andererseits entstehen sie durch beständige Winde.

Winde bewegen dabei die Wasserschichten unter der Oberfläche durch Reibung mit, gleichzeitig werden die Meeresströmungen durch die Corioliskraft abgelenkt. Diese wirkt auch in der Tiefe, allerdings nimmt die Reibung von oben nach unten nur allmählich ab. Dadurch bewegen sich die tieferen Wasserschichten immer langsamer und die Bewegungsrichtung weicht immer mehr von der Windrichtung ab.

Ein weiterer, viel wichtigerer Antrieb der Meeresströmungen ist der sogenannte thermohaline Antrieb (altgriechisch thermós, warm; háls, Salz), bei dem Temperatur- und Salzgehaltsänderungen eine wichtige Rolle spielen. Wärme und Salzgehalt des Wassers bestimmen die Dichte. Hohe Salzgehalte und niedrige Wassertemperaturen gehen mit einer hohen Wasserdichte einher. Wo die Dichte am höchsten ist, sinkt das Wasser von der Oberfläche in tiefere Schichten ab.

Eine sehr hohe Dichte des oberflächennahen Wassers wird unter anderem im Nordatlantik, im Ross- und Weddellmeer in der Antarktis sowie im Mittelmeer erreicht. In den Polargebieten sinken kalte Wassermassen mit einer hohen Salzkonzentration aufgrund ihrer hohen Dichte ab und verteilen sich als Tiefenwasser rund um den Globus.

In Oberflächennähe ersetzen Rückflüsse die absinkenden Wassermassen und halten so die thermohaline Zirkulation aufrecht. Die Polargebiete werden daher als Umwälzpumpen bezeichnet.

Im Ozean gibt es eine Vielzahl von Einzelströmungen, die durch das Absinken dichter Wassermassen in polaren und subpolaren Gebieten angetrieben werden. Dazu gehört auch der Golfstrom. Dadurch werden die Wassermassen der verschiedenen Ozeanbecken zu einem sogenannten großen Förderband zusammengeführt.

Gleichzeitig wird das Boden- und Tiefenwasser mit Sauerstoff angereichert. Im Sog des absinkenden Wassers strömen wärmere Wassermassen nach, kühlen sich ab und folgen dem Abwärtstrend.

Die größte natürliche "Pumpe" dieser Art arbeitet im Nordatlantik. Bis zu 17 Millionen Kubikmeter Wasser werden hier pro Sekunde in die Tiefe umgewälzt. Als kalter Strom fließen die Wassermassen in 2 bis 3 Kilometern Tiefe nach Süden zum antarktischen Zirkumpolarstrom. Dort bekommen sie Schwung und strömen weiter in den Indischen und Pazifischen Ozean.

Das kalte Tiefen- und Bodenwasser vermischt sich mit den wärmeren Wassermassen darüber, steigt auf und fließt als warmer Oberflächenstrom zurück in den Atlantik. Sie fließen nicht so gleichmäßig und geradlinig, sondern weisen Turbulenzen, zahlreiche Mäander und Wirbel auf.

Außerdem gibt es viele Verzweigungen, in denen sich unterschiedliche Wassermengen vermischen.