Atmosphärische Zirkulation

Thema dieses Films ist die atmosphärische Zirkulation. Wer einen erfahrenen Seemann nach der besten Segelroute von Europa nach Nordamerika fragt, der erhält eine überraschende Antwort. Man soll nämlich nicht etwa die direkte Route wählen, sondern den Atlantik erst auf der Höhe Nordafrikas überqueren. Auf den ersten Blick ist das ein riesiger Umweg. Warum sich die längere Route dennoch lohnt, erklärt sich aus den das ganze Jahr über vorherrschenden Winden auf der Erde, der sogenannten atmosphärischen Zirkulation. Auf der direkten Route müsste man nämlich stetig gegen Westwinde ansegeln. Auf der längeren Route hingegen wird das Segelboot von den Ostwinden begünstigt. Die Ursache für die Entstehung der großräumigen Windsysteme auf der Erde ist die Sonne, genauer gesagt die unterschiedlich starke Erwärmung der Erde am Äquator und an den Polen. Denn in der Nähe des Äquators fallen die Sonnenstrahlen in einem viel steileren Winkel ein als in höheren geographischen Breiten. Deswegen erwärmt sich die Erdoberfläche in Äquatornähe viel stärker als etwa am 30. Breitenkreis. Am Äquator wird so auch die Luft stärker erwärmt als auf 30 Grad geographischer Breite. Sie dehnt sich aus und steigt nach oben. Dadurch herrscht hoch über dem Äquator ein deutlich höherer Luftdruck als über dem 30. Breitenkreis. Als Folge des Druckunterschieds strömen die Luftmassen in der Höhe in Richtung der Pole. Die Verschiebung der Luftmassen wiederum bewirkt, dass am Erdboden auf 30 Grad geographischer Breite ein höherer Luftdruck herrscht als in Äquatornähe. Hier entstehen also Hochdruckgebiete auf Bodenhöhe, die sich um die gesamte Erde ziehen. Man spricht auch vom subtropischen Hochdruckgürtel. Am Äquator hingegen bildet sich die äquatoriale Tiefdruckrinne. Durch die Druckunterschiede in Bodenhöhe strömen die Luftmassen hier nun in Richtung des Äquators. Zwischen dem Äquator und dem 30. Breitenkreis entsteht so auf der Nord- wie auf der Südhalbkugel jeweils ein gigantischer Luftkreislauf, die sogenannte Hadley-Zelle. Die jeweiligen bodennahen Luftströme bezeichnet man dabei als Passatwinde. Allerdings strömen die Passatwinde nicht geradlinig in Richtung des Äquators, denn durch die Drehung der Erde werden die Luftströme abgelenkt. Ein Blick aus dem Weltall auf die rotierende Erde verdeutlicht dies. Ein Punkt auf dem 30. Breitengrad legt im selben Zeitraum eine kürzere Strecke zurück als ein Punkt auf dem Äquator. Die zum Äquator strömenden Luftmassen behalten ihre niedrige ostwärts gerichtete Geschwindigkeit bei. Umso weiter jedoch die Winde in Richtung des Äquators gelangen, desto stärker dreht sich die Erdoberfläche unter ihnen hinweg. Auf der Nordhalbkugel werden die Winde so in Richtung Westen abgelenkt, daher zum Nord-Ost-Passat und auf der Südhalbkugel entsprechend zum Süd-Ost-Passat. Die scheinbare Kraft, die für die Entstehung der Ostwindzone in Äquatornähe verantwortlich ist, ist die Corioliskraft. Ein weiteres, ganz ähnliches Windsystem wie die Hadley-Zelle mit den Passatwinden findet sich in den Polarzonen, denn auf etwa 60 Grad geographischer Breite fallen die Sonnenstrahlen wieder in einem deutlich steileren Winkel ein als an den Polen. Die Luft wird hier deutlich stärker erwärmt, dehnt sich aus und steigt nach oben. Gegenüber der Luft hoch über den Polen entsteht ein Druckgefälle und die Luftmassen strömen polwärts. Durch die zusätzlichen Luftmassen über den Polen entstehen hier wieder Hochdruckgebiete in Bodennähe. Dies sind die polaren Kältehochs. Hier ist der Luftdruck nun deutlich höher als in Bodennähe auf dem 60. Breitengrad, auf dem sich die subpolare Tiefdruckrinne bildet. So entstehen jeweils äquatorwärts gerichtete Luftströme auf Bodenhöhe. Die entstehenden Luftkreisläufe bilden auf den Nord- und auf der Südhalbkugel die Polarzellen. Wie die Passatwinde werden auch die bodennahen Luftströmungen in den Polarzellen durch die Corioliskraft in Richtung Westen abgelenkt. Die Polarzellen erzeugen daher die polaren Ostwinde. Die beiden globalen Luftdruckgebiete, die durch die unterschiedlich starke Erwärmung der Erdoberfläche entstehen, erzeugen schließlich noch ein drittes Windsystem zwischen dem 30. und dem 60. Breitenkreis. In diesem strömt die bodennahe Luft durch den Druckunterschied zwischen subtropischem Hochdruckgürtel und polarer Tiefdruckrinne in Richtung der Pole. Die Höhenluft bewegt sich wiederum in die entgegengesetzte Richtung. Der auf beiden Erdhalbkugeln entstehende Luftkreislauf wird Ferrel-Zelle genannt. Bei diesem Windsystem ist die Rotationsrichtung also jeweils genau entgegengesetzt zu der in Hadley-Zelle und Polarzelle. Die bodennahen Luftströmungen, die ihren Ausgangspunkt am subtropischen Hochdruckgürtel haben, behalten ihre hohe ostwärts gerichtete Geschwindigkeit auf dem Weg in Richtung der polaren Tiefdruckrinne bei. Die Winde überholen gewissermaßen die sich langsamer unter ihnen drehende Erdoberfläche. Die Corioliskraft lenkt die Luftströme daher nach Osten ab. In den gemäßigten Breiten auf beiden Erdhalbkugeln entstehen darum Westwindzonen. Die atmosphärische Zirkulation der Erde besteht also aus drei großen Windsystemen. In Äquatornähe wehen die Passatwinde aus Osten. Die gemäßigten Breiten werden wegen der Westwinde auch Westwindzone genannt und in den polaren Zonen herrschen polare Ostwinde vor. Die atmosphärische Zirkulation hat übrigens für das Leben auf der Erde eine viel größere Bedeutung, als lediglich Segelschiffe von A nach B zu befördern. Ohne den ständigen Austausch von Luftmassen wären nämlich die Temperaturunterschiede zwischen den Polen und dem Äquator so extrem, dass menschliches Leben vielerorts gar nicht möglich wäre. Die atmosphärische Zirkulation ist gewissermaßen die Klimaanlage unseres Planeten, betrieben mit 100 Prozent Sonnenenergie.