Lernpfad Energie/Das physikalische Konzept Energie und Luftkreisläufe/Passatzirkulation: Unterschied zwischen den Seiten

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== Energie-Träger, Energie-Formen ==
Die Bedeutung der '''Passatzirkulation''' für die tropischen Gebiete ist kaum zu beschreiben.
Was "Frau Mileva" als erst einmal als "universelle Wirksamkeit" bezeichnet hat, ist tatsächlich eine der wichtigsten Größen der gesamten Physik: die so genannte Energie.
Das Armbrust-Beispiel zeigt auch: Energie als "Wirksamkeit" kann ganz unterschiedlich vorliegen: In einer gespannten Armbrust, in der Geschwindigkeit des Bolzens oder der Höhenlage des Bolzens über der Planetenoberfläche.


In unterschiedlichen Büchern wird dieser Gedanke sprachlich unterschiedlich dargestellt. Die Physiker haben sich noch nicht auf eine einheitliche Sprechweise geeinigt. Physiker sind eben auch nur Menschen:
[[File:ITCZ aug 20 2010.jpg|right|400px]]


* '''Sprechweise: Energieformen und Energie-Umformung bzw. -Umwandlung'''
Die Passate tragen Wasserdampf in die wärmsten Gebiete der Erde und ermöglichen dort den Zenitalregen ([[Tropischer Regenwald|Regenwald]], [[Savanne]]n). Die Höhenströmung transportiert Wärme vom Äquator zu den Wendekreisen. An den Wendekreisen erzeugt der Passatkreislauf zugunsten der äquatornahen Gebiete die größten Wüsten der Erde.
** "Die Energie liegt in verschiedenen Energie'''formen''' vor: Als '''Spannenergie''', als '''Bewegungsenergie''' (auch '''kinetische Energie''' genannt) oder als '''Lageenergie''' (auch '''potentielle Energie''' genannt).
** Während des Schusses wird die Spannenergie in Bewegungsenergie '''umgeformt''' oder '''umgewandelt'''. Während des Fluges nach oben wird immer mehr von der Bewegungsenergie in Lageenergie umgewandelt. Während des Rücksturzes wird dann wieder mehr und mehr Lageenergie wieder zurück in Bewegungsenergie umgewandelt.
* '''Sprechweise: Energieträger und Energie-Umladung''' 
** "Die gleiche Energie hat während des Schusses und des Fluges verschiedene Energie'''träger'''. Das ist die Spannung der Armbrust, die Geschwindigkeit des Bolzens oder die Lage des Bolzens über dem Boden.  
** Während des ganzen Ablaufes wechselt die Energie ihren Träger, die Energie wird '''umgeladen'''"


Beide Formulierungen haben Vor- und Nachteile. Wir werden hier die erste verwenden, nicht weil sie richtiger ist als die andere, sondern weil manche Dinge sich dann kürzer beschreiben lassen.
Die weite Verbreitung rund um den Erdball zeigt die nebenstehende Satellitenkarte ausschnittsweise.
Die Wolkengebiete zeigen die ITC am Wärmeäquator. Die wolkenfreien Gebiete an den Wendekreisen sind die Subtropenhochs mit den Wüstengebieten. Die Passatzirkulation gibt es sowohl auf den Landmassen als auch auf den offenen Meeren.


== Energie als physikalische Größe mit Einheit ==
Nur ein Problem gibt es: Der Passat ist in seinen Auftritten sehr unzuverlässig. Zu spät, zu schwach oder er bleibt ganz aus. Gelegentlich spaltet sich die ITC, der Zenitalregen bleibt schwach.


In physikalischen Formeln wird die Energie häufig mit <math>E</math> oder (vor allem in Schulbüchern) tatsächlich mit <math>W</math>. Das kommt allerdings eigentlich vom englischen "Work" als von der deutschen "Wirksamkeit". Allerdings stammen diese beiden Wörter letztlich wieder aus der gleichen [http://en.wiktionary.org/wiki/wirken sprachlichen Quelle].
==Das Modell der Passatzirkulation erklärt das innertropische Wetter und Klima==
Wir verwenden hier die Schreibweise mit dem <math>E</math>; wir nennen die Lageenergie (potentielle Energie) <math>E_\text{pot}</math> und die Bewegungsenergie (kinetische Energie) <math>E_\text{kin}</math>, weil Physiker typischerweise faul sind und man die beiden Fachbegriffe schön mit nur drei Buchstaben abkürzen kann.


[[Datei:Luftkreislauf-Passat.gif|thumb|Hadley-Zellen]]
In den Tropen regnet es bei Sonnenhochstand (Zenitalregen). Diese Regenfälle sind außergewönlich ergiebig. Das Hauptregengebiet wandert mit dem Sonnenhöchststand mit zweimonatiger Verspätung zu den Wendekreisen und wieder zurück zum Äquator. In Afrika werden die Wendekreise vom Regengebiet aber nicht erreicht. An den Wendekreisen liegen die großen Wüsten der Erde: Sahara, Namib und Kalahari. Hier handelt es sich um tropische Wüsten, deren Existenz das Passat-Modell auch erklären muss. Das Problem des Energietransports von den Tropen (Energieüberschuss) in die gemäßigten Breiten interessiert vor allem die Klimaforscher.


Zu den Einheiten:
Das Modell der Passatzirkulation hat zwei Teile:


* Als Formel für die Energie, wenn sie in der Höhe <math>h</math> des Bolzens über der Planetenoberfläche gespeichert ist, hatten wir <br> <math>E_\text{pot}=m \cdot g \cdot h</math> <br> gefunden. Die zugehörige Einheit wäre dann:<br> <math> [E_\text{pot}]=1 \text{kg} \cdot 1\frac{\text{N}}{\text{kg}}\cdot 1\text{m}=1\text{N}\cdot\text{m}</math> sein.
#Das Modell der [[#Das_Modell_der_Hadley-Zellen|Hadley-Zellen]] (Luftkreislauf) und
* Als Formel für die Energie, in der Bewegung des Bolzens gespeichert ist, hatten wir <br> <math>E_\text{kin}=\frac{1}{2}m v^2</math><br> Hier hätten wir als Einheit also <br><math>[E_\text{kin}]=1\text{kg}\cdot\frac{\text{m}^2}{\text{s}^2}</math>
#das Modell der [[#Die_zyklische Wanderung_der_Hadley-Zellen|zyklischen Wanderung der Hadley-Zellen]] mit dem Sonnenstand (jahreszeitlicher Kreislauf).


Ist das nicht ein Widerspruch, dass die gleiche Größe "Energie" zwei verschiedene Einheiten haben soll?
==Hadley-Zellen==
Das wäre es in der Tat. Allerdings ist ein Newton gerade definiert als diejenige Kraft, die man benötigt, um ein Kilogramm innerhalb von einer Sekunde auf die Geschwindigkeit von 1m/s zu bringen.
Was treibt das System an?


Ein Newton ist also letztlich nur eine Abkürzung:
Der zenitale Sonnenstand zwischen den Wendekreisen bewirkt eine starke Erwärmung der bodennahen Luftschichten. Mit etwa zweimonatiger Verspätung hat sich auch die darüberliegende Atmosphäre stark erwärmt. Die Troposphäre dehnt sich dadurch aus und die Obergrenze, das ist die Tropopause, hebt sich auf etwa 16-18 km Höhe an. Nun ist es aber ab den Wendekreisen polwärts wesentlich kühler als in den Tropen. So entsteht an den Wendekreisen ein Knick in der Tropopause. Der Grund liegt in der Kugelform der Erde: Die Sonnen-Einstrahlung nimmt mit dem Cosinus der Breitenlage ab.
<math>1\text{N}=1 \text{kg}\cdot\frac{1\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1\text{s}}=1 \text{kg}\cdot\frac{\text{m}}{\text{s}^2} </math>


Damit haben also die beiden Formeln doch die gleiche Einheit. Weil es sich bei der Energie um eine derart wichtige Größe handelt, hat man dieser Einheit eine eigene Abkürzung gegeben: '''1 [http://de.wikipedia.org/wiki/Joule Joule]'''.
Die oberen Luftmassen an der Tropopause wollen nun zum Druckausgleich in Richtung Pole abfließen. Diese Strömung heißt Antipassat. An den Tropopausenknicks ist dieser Abfluss besonders schnell, so erzeugt die Corioliskraft (Erddrehung) dabei die Subtropenjetstreams. Diese "querliegenden" Windschläuche verhindern nun das weitere Abfließen von tropischen Luftmassen in der Höhe. Die vom Äquator kommende Höhenluft strömt deshalb am Hindernis der Jetstreams vorbei hinunter zum Boden. Dadurch wird unter den Jetstreams am Boden ein starkes und beständiges Hochdruckgebiet (Subtropenhoch) erzeugt. Im Nordsommer ist dieses Hoch gelegentlich so groß wie ganz N-Afrika. Die absinkende Luft verhindert jegliche Wolkenbildung. Das erklärt die subtropischen und tropischen Wüsten an den Wendekreisen.


{{Box
Da die Luft über der äquatornahen Region in der Höhe abfließen konnte (Antipassat), lastet nun dort weniger Luft auf dem Erdboden. Es ist damit am Äquator ein Tiefdruckgebiet entstanden, zu dem die Bodenwinde von den Subtropenhochs zuströmen (Passate). In der Kernzone der warmen und feuchten Luft entwickelt sich regelrecht ein Band aus Tiefdruckgebieten. Dieses Band heißt auch Tiefdruckrinne oder ITC (Inner Tropic Convergence), weil die Passate hier zusammenfließen (konvergieren). An der ITC steigt die Luft durch Erwärmung weiter auf, die innertropische Zirkulation nimmt ihren Lauf.
|Aufgabe 2.1: Größen und Einheiten
|Vervollständige den folgenden Lückentext:
|Arbeitsmethode
}}
<div class="lueckentext-quiz">
Ist Energie in der Bewegung eines Körpers mit der Masse '''<math>m</math>''' gespeichert, der eine Geschwindigkeit '''<math>v</math>''' hat, so spricht man von '''Bewegungsenergie''' oder '''kinetischer''' Energie. Wir verwenden das Formelsymbol '''<math>E_\text{kin}</math>'''. Die Berechnung erfolgt über die Formel '''<math>E_\text{kin}=</math>''' '''<math>\frac{1}{2}mv^2</math>'''.


Ist Energie in der Lage, genauer: der Höhe '''<math>h</math>''' eines Körpers der Masse <math>m</math> im Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Ortsfaktor '''<math>g</math>''' gespeichert, spricht man von '''Lageenergie''' oder '''potentieller''' Energie. Wir verwenden das Formelsymbol '''<math>E_\text{pot}</math>'''. Die Berechnung erfolgt über die Formel '''<math>E_\text{pot}=</math>''' '''<math>m\cdot g \cdot h</math>'''.
Die tropischen Gewitter (zweimal täglich) nennt man "Zenitalregen". Die senkrecht stehende Sonne erwärmt den Boden besonders stark. Die Luft steigt auf und kühlt dabei ab, die enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Dabei werden die höheren Luftschichten durch die freiwerdende Kondensationswärme erwärmt. Die Grundschicht der Troposphäre wird gleichzeitig abgekühlt. Die Wolke hat also Wärme vom Erdboden (Verdunstungskälte!) in die hohen Luftschichten (Kondensationswärme) transportiert.


</div>
[[Datei:ITC und Passatkreislauf 1.png|thumb|center|850px|Stark überhöhtes Schema: Passatkreislauf und die Lage der ITC etwa Ende April und Ende August]]


==Die zyklische Wanderung der Hadley-Zellen==
[[Datei:Luftkreislauf-Passat.2.gif|thumb|zyklische Wanderung der Hadley-Zellen]]
Die nebenstehende Animation zeigt die wichtigen Gesichtspunkte.


{{Box
Die Hadley-Zellen bewegen sich mit dem Sonnenstand mit. Durch die zweimonatige Verzögerung - die Atmosphäre muss sich ja erst auf dem Umweg über Verdunstung und Kondensation aufheizen - kehrt die Sonne an den Wendekreisen bereits wieder um, wenn die ITC noch nicht gefolgt war. Der Sonnenstand selbst verhindert also ein weiteres Vordringen der ITC zu den Wendekreisen.
|Aufgabe 2.2: Kran auf der Baustelle
{{clear}}
|
Auf einer Baustelle hebt ein Kran eine Betonmischmaschine (100kg) von 5 Metern Höhe in 8 Meter Höhe. Berechne die Lageenergie der Betonmischmaschine vor und nach dem Heben und bestimme den Unterschied zwischen den beiden Energie-Werten. <br> Tipp: Unterschiede einer Größe werden häufig mit einem griechischen <math>\Delta</math> beschrieben. Der gesuchte Energieunterschied würde also als Formelsymbol <math>\Delta E_\text{pot}</math> heißen.
|Arbeitsmethode
}}




{{Box
{{Fortsetzung|
|Aufgabe 2.3: Lastwagen auf der Autobahn
vorher=Jetstream|vorherlink=Luftkreisläufe/Jetstream|
|
weiter=Monsunzirkulation|weiterlink=Luftkreisläufe/Monsunzirkulation|}}
Ein Lastwagen (7,5 Tonnen) fährt auf der Autobahn mit 80km/h Geschwindigkeit. Er beschleunigt beim Überholen auf 100km/h. Berechne seine Bewegungsenergie vor und nach dem Beschleunigen und bestimme den Unterschied zwischen den beiden Energie-Werten.
|Arbeitsmethode
}}


{{Box
{{Luftkreisläufe}}
|Aufgabe 2.4: Eine alte, aber bekannte Energie-Einheit
[[Kategorie:Atmosphäre]]
|
[[Kategorie:Sekundarstufe 1]]
Frau Huber klagt, sie hätte am Wochenende bei Freunden wieder zuviel Kuchen gegessen und sie müsste die ganzen Kalorien auf einer Klettertour in den Alpen wieder abtrainieren. Recherchiere im Internet über die Einheit "Kalorie" und berechne, wie hoch Frau Huber (75kg) mit Energiemenge eines Kuchenstücks (300 kcal) in den Alpen klettern könnte, wenn sie sie vollständig in Lageenergie umwandeln könnte.
[[Kategorie:Sekundarstufe 2]]
|Arbeitsmethode
[[Kategorie:Geographie]]
}}
 
 
 
{{Lernpfad Energie}}
 
[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Interaktive Übung]]
[[Kategorie:R-Quiz]]
[[Kategorie:Chemie]]

Version vom 23. April 2022, 15:12 Uhr

Die Bedeutung der Passatzirkulation für die tropischen Gebiete ist kaum zu beschreiben.

ITCZ aug 20 2010.jpg

Die Passate tragen Wasserdampf in die wärmsten Gebiete der Erde und ermöglichen dort den Zenitalregen (Regenwald, Savannen). Die Höhenströmung transportiert Wärme vom Äquator zu den Wendekreisen. An den Wendekreisen erzeugt der Passatkreislauf zugunsten der äquatornahen Gebiete die größten Wüsten der Erde.

Die weite Verbreitung rund um den Erdball zeigt die nebenstehende Satellitenkarte ausschnittsweise. Die Wolkengebiete zeigen die ITC am Wärmeäquator. Die wolkenfreien Gebiete an den Wendekreisen sind die Subtropenhochs mit den Wüstengebieten. Die Passatzirkulation gibt es sowohl auf den Landmassen als auch auf den offenen Meeren.

Nur ein Problem gibt es: Der Passat ist in seinen Auftritten sehr unzuverlässig. Zu spät, zu schwach oder er bleibt ganz aus. Gelegentlich spaltet sich die ITC, der Zenitalregen bleibt schwach.

Das Modell der Passatzirkulation erklärt das innertropische Wetter und Klima

Hadley-Zellen

In den Tropen regnet es bei Sonnenhochstand (Zenitalregen). Diese Regenfälle sind außergewönlich ergiebig. Das Hauptregengebiet wandert mit dem Sonnenhöchststand mit zweimonatiger Verspätung zu den Wendekreisen und wieder zurück zum Äquator. In Afrika werden die Wendekreise vom Regengebiet aber nicht erreicht. An den Wendekreisen liegen die großen Wüsten der Erde: Sahara, Namib und Kalahari. Hier handelt es sich um tropische Wüsten, deren Existenz das Passat-Modell auch erklären muss. Das Problem des Energietransports von den Tropen (Energieüberschuss) in die gemäßigten Breiten interessiert vor allem die Klimaforscher.

Das Modell der Passatzirkulation hat zwei Teile:

  1. Das Modell der Hadley-Zellen (Luftkreislauf) und
  2. das Modell der zyklischen Wanderung der Hadley-Zellen mit dem Sonnenstand (jahreszeitlicher Kreislauf).

Hadley-Zellen

Was treibt das System an?

Der zenitale Sonnenstand zwischen den Wendekreisen bewirkt eine starke Erwärmung der bodennahen Luftschichten. Mit etwa zweimonatiger Verspätung hat sich auch die darüberliegende Atmosphäre stark erwärmt. Die Troposphäre dehnt sich dadurch aus und die Obergrenze, das ist die Tropopause, hebt sich auf etwa 16-18 km Höhe an. Nun ist es aber ab den Wendekreisen polwärts wesentlich kühler als in den Tropen. So entsteht an den Wendekreisen ein Knick in der Tropopause. Der Grund liegt in der Kugelform der Erde: Die Sonnen-Einstrahlung nimmt mit dem Cosinus der Breitenlage ab.

Die oberen Luftmassen an der Tropopause wollen nun zum Druckausgleich in Richtung Pole abfließen. Diese Strömung heißt Antipassat. An den Tropopausenknicks ist dieser Abfluss besonders schnell, so erzeugt die Corioliskraft (Erddrehung) dabei die Subtropenjetstreams. Diese "querliegenden" Windschläuche verhindern nun das weitere Abfließen von tropischen Luftmassen in der Höhe. Die vom Äquator kommende Höhenluft strömt deshalb am Hindernis der Jetstreams vorbei hinunter zum Boden. Dadurch wird unter den Jetstreams am Boden ein starkes und beständiges Hochdruckgebiet (Subtropenhoch) erzeugt. Im Nordsommer ist dieses Hoch gelegentlich so groß wie ganz N-Afrika. Die absinkende Luft verhindert jegliche Wolkenbildung. Das erklärt die subtropischen und tropischen Wüsten an den Wendekreisen.

Da die Luft über der äquatornahen Region in der Höhe abfließen konnte (Antipassat), lastet nun dort weniger Luft auf dem Erdboden. Es ist damit am Äquator ein Tiefdruckgebiet entstanden, zu dem die Bodenwinde von den Subtropenhochs zuströmen (Passate). In der Kernzone der warmen und feuchten Luft entwickelt sich regelrecht ein Band aus Tiefdruckgebieten. Dieses Band heißt auch Tiefdruckrinne oder ITC (Inner Tropic Convergence), weil die Passate hier zusammenfließen (konvergieren). An der ITC steigt die Luft durch Erwärmung weiter auf, die innertropische Zirkulation nimmt ihren Lauf.

Die tropischen Gewitter (zweimal täglich) nennt man "Zenitalregen". Die senkrecht stehende Sonne erwärmt den Boden besonders stark. Die Luft steigt auf und kühlt dabei ab, die enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Dabei werden die höheren Luftschichten durch die freiwerdende Kondensationswärme erwärmt. Die Grundschicht der Troposphäre wird gleichzeitig abgekühlt. Die Wolke hat also Wärme vom Erdboden (Verdunstungskälte!) in die hohen Luftschichten (Kondensationswärme) transportiert.

Stark überhöhtes Schema: Passatkreislauf und die Lage der ITC etwa Ende April und Ende August

Die zyklische Wanderung der Hadley-Zellen

zyklische Wanderung der Hadley-Zellen

Die nebenstehende Animation zeigt die wichtigen Gesichtspunkte.

Die Hadley-Zellen bewegen sich mit dem Sonnenstand mit. Durch die zweimonatige Verzögerung - die Atmosphäre muss sich ja erst auf dem Umweg über Verdunstung und Kondensation aufheizen - kehrt die Sonne an den Wendekreisen bereits wieder um, wenn die ITC noch nicht gefolgt war. Der Sonnenstand selbst verhindert also ein weiteres Vordringen der ITC zu den Wendekreisen.


Jetstream
Monsunzirkulation
Global tropical cyclone tracks-edit2.jpg

Luftkreisläufe

  1. Entstehung von Luftdruck und Wind
  2. Jetstream - im Windkanal
  3. Passatzirkulation - auf geordneten Bahnen
  4. Monsunzirkulation - ungewöhnliche Zugbahnen
  5. Tropische Wirbelstürme - große Turbulenzen
  6. Westwindzone - heftige Seitenwinde
    • Föhn - Steuerung durch das Relief
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